DE1447253C - Verfahren und Vorrichtung zur konti nuierhchen lnterferometnsehen Messung von Dicke oder Brechungsindex eines laufen den Films - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen interferometrischen Messung von Dicke oder Brechungsindex eines laufenden, durchsichtigen Films, bei dem auf den Film ein Weißlichtbündel gerichtet wird und die an der Vorderseite und an der Rückseite des Films reflektierten, einen Gangunterschied aufweisenden Lichtbündel nach Verändern ihres Gangunterschiedes zur Interferenz gebracht werden und die zum Erzeugen einer weißen Interferenzverstärkung erforderliche Veränderung des Gangunterschiedes gemessen wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

üblicherweise wird bei interferometrischen Untersuchungen eine Probe mit monochromatischem Licht bestrahlt, wobei eine sich in einem Interferenzstreifen äußernde Interferenzverstärkung bekanntlich bei interferometrischer überlagerung von zwei Wellenzügen gleicher Wellenlänge mit einem Gangunterschied eines doppelten ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge erfolgt. Nun liegt die Wellenlänge eines monochromatischen Anteils sichtbaren Lichtes etwa zwischen 4000 und 7500 Ä. Typische Filmdicken liegen jedoch im Bereich von etwa 50 μ. Eine solche Filmdicke ist also etwa lOOmal größer als eine charakteristische Wellenlänge sichtbaren Lichtes.

Bei interferometrischen Längenmessungen unter Verhältnissen, wie sie bei normalen Filmdickenmessungen vorliegen, ist also bei Bestrahlung der Probe mit monochromatischem Licht zur Auswertung des Meßergebnisses ein Auszählen von sehr vielen Interferenzstreifen, und zwar in der Größenordnung hundert Interferenzstreifen, erforderlich, was recht mühsam ist. Längenmessungen mit monochromatischem Licht eignen sich daher in erster Linie nur unter solchen Verhältnissen, bei denen die Wellenlänge der Filmdicke vergleichbar ist, oder natürlich dann, wenn man Wellenlängenmessungen vornehmen will'

Die deutsche Patentschrift 930 589, die britische Patentschrift 595 940 und die deutsche Auslegeschrifi 1090 881 betreffen derartige Untersuchungen mit monochromatischem Licht, wobei jeweils die genannte Schwierigkeit auftaucht, eine größere Anzahl vor. Interferenzstreifen auszuwerten. Von solchen Unter suchungen sind folgende Verfahrensmerkmale bereib in verschiedenem Zusammenhang bekannt; Peri

odisches Verschieben einer die Phasenlage eines interferometrisch untersuchten Wellenzuges bestimmenden Interferometerfläche, Auswerten eines Interferenzbildes durch Empfangen des Bildes in einer lichtelektrischen Detektorvorrichtung sowie Auswerten von Abständen des erzeugten optischen Bildes durch Messung des Zeitabstandes zwischen einem einer optischen Verstärkung zugeordneten elektrischen Ausgangssignal der Detektorvorrichtung und einer Zeitmarke. Trotzdem haben sich, wie gesagt, derartige Vorrichtungen, bei denen ein Film mit monochromatischem Licht bestrahlt wird, wegen der Vielzahl der auftretenden Interferenzmaxima nicht bewährt. Man hat lediglich versucht, die beim Auszählen der Streifen auftretenden Schwierigkeiten durch Hilfsmaßnahmen zu verringern, z. B. durch Verwendung eines in den Strahlengang eingeschalteten und hin- und herbewegten Rasters mit Rasterabstand der monochromatischen Wellenlänge (britische Patentschrift 595 940) oder eines entsprechenden anderen, im Strahlengang bewegten Gitters (deutsches Patent 930 589). Ungeeignet für kontinuierliche Filmdickemessungen eines laufenden Films sind solche bekannten Anordnungen, bei denen die zur Auswertung vorgesehene interferometrische Vorrichtung starr mit der Untersuchungsprobe verbunden ist (deutsche Auslegeschrift 1090 881).

Bei interferometrischen Untersuchungen der eingangs genannten Art dagegen wird statt einer monochromatischen Untersuchungslichtquelle eine weiße, d. h. breitbandige Untersuchungslichtquelle, benutzt.

Es ist in der optischen interferometrischen Technik allgemein bekannt, daß derartige weiße Untersuchungslichtquellen nur dann einen »weißen« Interferenzverstärkungsstreifen ergeben, wenn die optische Wegdifferenz der interferometrisch verglichenen Lichtbündel gleich Null ist. Diese weiße Interferenzverstärkung wird lediglich noch von einigen benachbarten farbigen Interferenzstreifen begleitet, während sich alle weiteren Interferenzverstärkungen der monochromatischen Anteile des breitbandigen Untersuchungslichtbündels insbesondere im Abstand von der einzigen weißen Interferenzverstärkung so überlagern, daß sie nicht mehr in Erscheinung treten (siehe z. B. »Fundamental of Optics« von Jenkins und White, McGraw-Hill Book Company, Inc., 1957, S. 250, und »Modern Interferometers« von C. C an dl er, Hilger & Watts, Ltd., 1951, S. 223 bis 225, insbesondere S. 223, Satz 1). Derartige breitbandige »weiße« Untersuchungslichtbündel eignen sich daher zur interferometrischen Untersuchung von Proben mit wesentlich größeren Abmessungen als eine typische Untersuchungslichtwellenlänge. Trotzdem ist eine optische Auswertung auch derartiger, von einer breitbandigen »weißen« Untersuchungslichtquelle gewonnener Interferenzstreifenbilder relativ schwierig, unter anderem wegen der farbigen Nebenmaxima.

Ein mit weißem Licht arbeitendes Verfahren zur Filmdickenmessung ist aus den USA.-Patenten 2.518 647, 2 578 859 und 2 655 073 bekannt. Der Film wird dabei unter einem schrägen Einfallwinkel bestrahlt, und die an Vorder- und Rückseite des Films reflektierten Lichtbündel werden auf einen optischen Keil geleitet. Das auftretende Interferenzbild wird visuell untersucht. Dabei werden Interferenzverstärkungsstreifen der optischen Wegdifferenz der beiden an Vorder- und Rückseite des Films reflektierten Lichtstrahlenbündel zugeordnet und Dickenmessungen durch Feststellung der Lage eines Interferenzverstärkungsstreifens gegenüber einer Skala vorgenommen.

Dabei wird allgemein eine größere Anzahl von optischen Keilen bereitgehalten, da mit einem einzigen optischen Keil nur ein geringer Meßbereich erfaßt werden kann. Es ist bekannt, eine Meßbereichserweiterung eines einzelnen optischen Keils dadurch zu erreichen, daß man die Winkelanordnung des Keils gegenüber dem Film ändert und gegebenenfalls weiterhin noch einen Spiegel vorsieht. Dieser Spiegel wird bei einer Ausführungsform von Hand verstellt, bis Interferenzverstärkung sichtbar wird. Die Filmdicke ist dann an einer mit dem Spiegel verbundenen, entsprechend geeichten Skala ablesbar.

Mit diesen bekannten Anordnungen kann man bereits Filmdicke- oder Filmbrechungsindexmessungen durchführen, die nach Angaben in der erstgenannten Patentschrift von Flattererscheinungen des Filmes nur wenig beeinflußt sind. Die Einjustierung und die Bedienung einer solchen Anordnung erfordert jedoch hohes fachmännisches Können. Die Auswertung des Interferenzstreifenbildes erfolgt nämlich visuell, was ziemlich schwierig und, wenn nicht große Sorgfalt auf die Messung verwandt wird, recht ungenau ist. Entsprechend erfordert jede Messung relativ viel Zeit. Die bekannten Anordnungen eignen sich dabei höchstens für die stichprobenweise Ermittlung von Meßwerten, keinesfalls aber für quasi-kontinuierlich durchzuführende Messungen, z. B. der Dicke eines laufenden Filmes während der Produktion. Außerdem ist bei den bekannten Anordnungen nicht vorgesehen, das Meßergebnis in Form eines z. B. elektrischen Signals darzustellen, welches dann für Registrier-, Steuer- oder Regelzwecke verwendet werden könnte.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein für die berührungsfreie Messung der Filmdicke oder des Brechungsindexes geeignetes Verfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß eine selbsttätige und fortlaufende Messung ohne das ständige Eingreifen einer Bedienungsperson stattfinden kann und daß gegebenenfalls eine Registrierung oder andere Auswertung der Meßergebnisse möglich ist.

Zum Lösen dieser Aufgabe ist unter Verwendung zum Teil bekannter Verfahrenselemente vorgesehen, daß der Gangunterschied periodisch verändert und mit gleicher Periode eine Zeitmarke erzeugt wird, daß die gemeinsame Intensität der interferierenden Lichtbündel auf an sich bekanntem, photoelektrischem Wege als elektrisches Signal dargestellt wird und daß der Zeitabstand zwischen der periodischen Zeitmarke und jedem Auftreten eines der weißen Interferenzverstärkung entsprechenden Signals gemessen wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung erfordert weder besonderes fachmännisches Können der die Messungen auswertenden Person noch treten Schwierigkeiten durch die optische Auswertung, z. B. durch das Vorhandensein der farbigen Nebenmaxima, auf, da man elektrisch die Interferenzverstärkungen leicht einwandfrei ermitteln kann. Vorzugsweise werden zur Messung erfindungsgemäß diejenigen Intensitätssignale unterdrückt, die unter dem Pegel der den weißen Interferenzverstärkungen entsprechenden elektrischen Signale liegen. · .

Bei dem Verfahren der eingangs genannten Art mit Verwendung optischer Keile ist es bereits bekannt.

5 6

die beiden an der Vorderseite und an der Rückseite F i g. 2 zeigt eine Darstellung eines Michelsondes Films reflektierten Lichtbündel jeweils in zwei Interferometers mit hin- und herbewegbarem Reflekweiße Teilbündel zu zerlegen. Hierzu wird nach der tor, das zum Gewinnen von Interferenzmarken Ver-Erfindung ein Interferometer von Michelson-Typ wendung finden kann, wie sie beim Messen der Filmverwendet und der Zeitabstand zwischen der Zeit- 5 dicke verwendet werden;

marke und jedem Auftreten eines Signals-gemessen, Fig. 3 zeigt ein mit gleich langen interferomedas einem der beiden Interferenzverstärkungen ent- trischen Armen in der Vorrichtung der F i g. 1 und 2 spricht, die von je einem Teilbündel des einen Licht- gewonnenes typisches Interferogramm zu beiden Seibündels und je einem Teilbündel des anderen Licht- ten der zentralen weißen Interferenzverstärkung mit bündeis erzeugt werden. Bei der Form des Verfahrens io überlagerung des Raum-Zeit-Verlaufs der Verschieist es möglich, mit nahezu normalem Lichteinfall bungsbewegung des hin-und herbewegbaren Spiegels; auf dem Film zu arbeiten. Meßfehler auf Grund von F i g. 4 zeigt eine Darstellung des zeitlichen Ver-Flattererscheinungen des Films sind dann praktisch laufs der Bewegung des hin- und herbewegbaren ausgeschlossen. Spiegels der mterferometrischen Vorrichtung der

Darüber hinaus kann bei Benutzung von vier Teil- 15 Fi g. 2 in einem Längenmaßstab, welcher der Ändebündeln in vorteilhafter Weise als Zeitmarke das der rung der optischen Wegdifferenz während der Spiegelanderen der beiden Interferenzverstärkungen entspre- bewegung des Interferometers entspricht, wobei die chende Signal verwendet werden. Möglich ist auch, maximale Wegstrecke etwas größer als die zu messende daß als Zeitmarke ein Signal verwendet wird, das Filmdicke ist;

einer gleichzeitigen Interferenzverstärkung sowohl 20 F i g. 5 zeigt eine Darstellung einer zweiten Aus-

der Teilbündel des einen Lichtbündels einerseits und führungsform einer Vorrichtung zur Messung am

der Teilbündel des anderen Lichtbändels anderer- laufenden Film;

seits entspricht. , Hierbei tritt die Zeitmarke genau F i g. 6 zeigt eine Meßvorrichtung für Dickenab-

dann auf, wenn die beiden optischen Weglängen im weichungen eines Filmes von einer Solldicke;

Interferometer gleich sind. 25 F i g. 7 zeigt die Formen elektrischer Signale in

Wie gesagt, wird bei der Erfindung zur Unter- der Vorrichtung nach Fig. 6;

suchung eine breitbandige »weiße« Lichtquelle be- F i g. 8 ist eine Darstellung einer optischen Meßnutzt. Man kann jedoch eine monochromatische vorrichtung für den Brechungsindex;
Lichtquelle zusätzlich als Zeitbasiserzeuger verwen- F i g. 9 und 10 zeigen Interferogramme mit Interden. Die Zeitmessung kann in an sich bekannter 30 ferenzstreifen, wie sie die Vorrichtung gemäß F i g. 8 Weise durch Zählung kleiner Zeitintervalle mit an liefert,
sich bekannter Zähltechnik erfolgen. Gemäß F i g. 1 kann die Filmdicke eines frei

Zur Erzeugung der vier interferometrisch ver- laufenden Films mit reflektierter Strahlung ständig glichenen Teilbündel hat sich besonders ein an sich gemessen werden, indem eine geeignete Meßvorrichbekanntes Michelson-Interferometer bewährt, dessen 35 tung auf einer einzigen Seite des zu untersuchenden beweglicher Spiegel nach einer Sägezahnfunktion hin- Films angeordnet wird. Indessen ist auch eine Arbeitsund herbewegbar ist, wobei die flache Zahnflanke der weise mit durchgehender Strahlung möglich, wie es Bewegungsfunktion der Zeitmessung zugeordnet ist. im folgenden beschrieben ist.

Man kann jedoch, wenn man gemäß der der Der mit 10 bezeichnete Film kann mit einem Erfindung zugrunde liegenden Grundidee lediglich 40 schmalen Strahl einer analytischen Strahlung 15 abmit zwei interferometrisch überlagerten Lichtbündeln getastet werden, während er über die Führungsarbeitet, die von Vorder- und Rückseite des Films walzen 11 und 12 läuft. Typisch ist eine Filmgeschwinherstammen, so vorgehen, daß als interferometrisches digkeit von etwa 110 m/min, und für einen klaren Analysiergerät eine ebene lichtdurchlässige Platte Zellophanfilm mit einer Dicke im Bereich zwischen dient, die um eine zur Filmebene parallele Achse 45 0,0025 und 0,4 mm kann beispielsweise das Unterperiodisch drehbar ist, an deren dem Film züge- suchungslichtbündel eine »weiße« Strahlung im nahen wandten Seite eine Reflexion des an der Rückseite Infrarotbereich sein, d. h. im 1-3-Micron-Bereich. reflektierten Lichtbündels und an deren dem Film Interferenzen bei der Dickemessung, die durch abgewandten Seite eine Reflexion des an der Vor- Schwankungen der Filmbahn zustande kommen könnderseite des Films reflektierten Lichtbündels jeweils 5° ten, sind effektiv beseitigt, indem der Film mit dem an einer lichtreflektierenden Beschichtung erfolgt Untersuchungslichtbündel nahezu senkrecht zum Film und daß das Untersuchungslichtbündel unter einem abgetastet wird.

schrägen Winkel auf den Film auffällt. Als Zeitmarke Als Strahlungsquelle 16 kann eine weißglühende

kann dann irgendeine einer Phase der Plattenbewe- 35-Watt-Wolframdrahtlampe dienen, die durch eine

gung zugeordnete Zeitmarke dienen. Es ist auch mög- 55 nicht gezeigte 6-Volt-Gleichstromquelle betrieben

lieh, diese Zeitmarke so zu wählen, daß im wesent- wird. Die Quelle 16 ist innerhalb eines lichtdichten

liehen nur dann eine Zeitdifferenzanzeige auftritt, Gehäuses 17 angeordnet, das mit einer doppelkon-

wenn die Filmdicke oder der Brechungsindex des vexen Kondensorlinse 18 aus Glas und einer Blen-

untersuchten Films eine vorgegebene Toleranz über- denöffnung 20 versehen ist, so daß eine Abbildung

schreitet. 60 des heißen Drahtes der Lichtquelle 16 im Maßstab

Die Erfindung wird in folgenden an Hand schema- 1 : 1 über das Prisma 19 auf die Filmebene projiziert

tischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbei- wird; die Strahlungsquelle 16 hat eine leuchtende

spielen näher erläutert. Fläche von etwa 65 χ 32 mm.

F i g. 1 zeigt eine Schemazeichnung einer Vor- Wie in der Teilfigur A im vergrößerten Maßstab

richtung zur Dickebestimmung eines laufenden Films, 65 dargestellt ist, trifft das einfallende Lichtbündel 15

bei der die Stelle des AuftrclTcns der Strahlung auf auf die frontseitige Oberfläche des Filmes 10, von

den Film vergrößert bei A im unteren Teil der Zeich- der ein Teil des Lichtbündels in Richtung R₁ reflek-

nung herausgezeichnet ist; tiert wird, während der Hauptanteil der Strahlung in

den Film eintritt und dabei eine Brechung erfährt. Dieses Teilstrahlenbündel trifft dann schließlich auf die hintere Oberfläche des Filmes 10, und ein Teil dieses Lichtbündels wird in Richtung zur Frontfläche reflektiert und verläßt diese Frontfläche schließlich entlang des Weges K₂. Die aus der Probe austretende Strahlung, und zwar beide auf den Wegen K₁ und R₂ austretende Teillichtbündel, ist gemeinsam ' mit 23 bezeichnet. Diese Strahlung trifft dann auf die andere Fläche des Prismas 19 und von dieser Fläche durch die Blendenöffnung 24 in die Eingangsöffnung 25 eines Interferometers 26.

Das Interferometer kann vom Michelson-Typ sein, wie es schematisch in F i g. 2 dargestellt ist, und zwar mit der Besonderheit, daß ein Spiegel 30 des Interferometers, der periodisch hin- und herbewegt wird, und zwar über einen im folgenden noch im einzelnen beschriebenen Bereich, während der andere Spiegel 31 ortsfest ist. Das Interferometer weist einen geeigneten halbdurchlässigen Strahlungsteiler 32 auf, für den in typischer Weise eine 6,3 mm dicke, halbdurchlässige Glasplatte verwendet werden kann, die an der Unterseite teilweise verspiegelt und mit einem Winkel von 45° zu den Spiegeln 30 und 31 angeordnet ist. Der Strahlungsteiler 32 erzeugt zwei Teilbündel annähernd gleicher Intensität,' die zu dem Spiegel 30 bzw. 31 gerichtet sind, von denen sie zum Strahlungsteiler 32 zurückreflektiert werden, wie es mit den Pfeilköpfen angezeigt ist. Die Strahlen werden dann nahe benachbart nach außen auf einen photoelektrischen Detektor 33 geleitet, der in diesem Fall ein Detektor der Bleisulfidart ist. Das beschriebene Interferometer umfaßt einen Sägezahn-Oszillator 37 und einen dazugehörigen elektronischen Leistungsverstärker 38, der periodische Sägezahn-Spannungsimpulse zu einem elektro-dynamischen Schwingankermotor 39 liefert, um den Spiegel 30 mit einer Frequenz von 50 Hz hin- und herzubewegen.

Beim Betrieb werden die allgemeinen Prinzipien der Interferometrie in folgender Weise angewendet:

Die Phasendifferenz a, die bei Berücksichtigung beliebiger zweier Strahlenbündel der Wellenlänge λ gegeben ist, wenn die Bündel einen Beobachtungspunkt, beispielsweise den Detektor 33 erreichen, ist eine Funktion der optischen Wegdifferenz b und kann durch die Gleichung

a =

ausgedrückt werden.

Wenn die Strahlenbündel in Phase sind, existiert Interferenzverstärkung, die sich durch »Interferenzstreifen« hoher Intensität äußert, während sich zwei Strahlenbündel, die nicht in Phase sind, mehr oder weniger gegenseitig aufheben, je nach dem, inwieweit die Strahlen außer Phase sind.

Wenn in der Teilfigur A in F i g. 1 die einfallende Strahlung PQ auf den Film mit einem Winkel Θ auffällt, der genüber der Normalen gemessen wird, verläßt das zuerst reflektierte Lichtbündel K₁ die frontseitige Oberfläche des Films, während die verbleibende Strahlung in den Film der Dicke d entlang eines gegen die Normale um den Winkel (-)_{ geneigten Weges zum Punkt S gelangt, der auf der rückwärtigen Fläche des Films 10 liegt. Ein Teil dieser Strahlung wird zum Punkt T auf der l'rontseitigen 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 A₁ und K₂ berechnet werden als

b = 2nd cos Q₁

(siehe S. 262 in »Fundamentals of Optics« von Jenkins & White), woraus sich die optische Phasendifferenz unter Verwendung der in angepaßter Weise verwendeten Gleichung (1) ergibt als

α =

{2nd cos O₁).

Die Intensitäten J₁ der als Strahlenbündel K₁ und K₂ reflektierten Strahlung sind nahezu gleich, woraus sich die Intensität der als Ganzes betrachteten beiden Strahlen aus den Seiten 211 bis 213 der obengenannten Literaturstelle ergibt als

Al₁ cos²

Wie man in F i g. 2 erkennt, werden die den Strahl 23 bildenden Bündel R₁ und K₂ in Teilbündel aufgeteilt, die einerseits zum festen Spiegel 31 und andererseits zum hin- und herbewegbaren Spiegel 30 reflektiert und von diesen Spiegeln wieder rückreflektiert werden, wodurch sich vier getrennte Wellenzüge bzw. Teilbündel innerhalb des Interferometers ergeben. Entsprechend den Grundsätzen der Interferometrie herrscht in dem Fall, wenn die Weglängen von der Strahlungsquelle zu den Spiegeln gleich sind, Interferenzverstärkung für alle Weglängen, d. h. »weiße« Interferenzverstärkung, zwischen dem ausfallenden reflektierten Licht der Spiegel. Die unter dieser Bedingung vorhandene weiße Interferenzverstärkung liegt dort, wo der Abstand des Spiegels 30 vom Lichtteiler 32 genau gleich dem Abstand des Spiegels 31 vom Lichtteiler 32 ist, oder mit anderen Worten, wo die Arme des Interferometers gleich sind, da der Punkt Q der Teilfigur A in F i g. 1 an der Frontseite des Films effektiv die gemeinsame Strahlungsquelle für die zwei Teilbündel des Lichtbündels K₁ ist, die dann miteinander eine weiße Interferenzverstärkung erfahren, während der Punkt S, über den Punkt T, eine andere gemeinsame Quelle für die zwei Teilbündel des Bündels K₂ ist, die dann auch eine weiße Interferenzverstärkung erfahren, die sich der K₁-Interferenz überlagert. Das Ergebnis ist ein Interferenzstreifen, der maximale Strahlungsintensität besitzt und als zentrale Interferenzverstärkung deutlich durch den Zacken ρ des Interferogramms der F i g. 3 gezeigt ist. Bei einem Michelson-artigen Interferometer ergibt der zentrale Interferenzstreifen eine geeignete Zeitmarke, von der aus Zeitmessungen in der im folgenden beschriebenen Weise gemacht werden können; jedoch kann auch irgendeine andere in bezug auf die Spiegelstellung festgelegte Zeitmarke in entsprechender Weise praktisch verwendet werden.

Wird nun einer der Spiegel 30, 31 — im vorliegenden Fall der Spiegel 30 — relativ zum anderen Spiegel bewegt, so wird die Länge des Lichtweges für diejenigen Teilbündel der Lichtbündel K₁ und K₂, die den Weg über den Spiegel 30 nehmen, vergrößert oder verkleinert, d. h.. es wird eine optische Weg-

f>5 differcnz r zwischen diesen Teilbündcln und den verbleibenden zwei Teilbündeln eingeführt, deren Lichtweglänge nicht verändert wird. Da das Lichtbündel K₂, bedingt durch den Umwe« QST im Film, in

209 644/34

bezug auf das Bündel .R₁, bereits eine größere Weglänge zurückgelegt hat, ergeben sich neben der zentralen Interferenz zwei weitere Interferenzmöglichkeiten zwischen jeweils zwei der vier Teilbündel. Wird der Spiegel 30 z. B. nach links bewegt, was einer Verkleinerung der Lichtweglänge entspricht, so wird bei einer Spiegelstellung, bei der die optische Wegdifferenz r der durch den Film eingeführten optischen Wegdifferenz b gleicht, die Wegdifferenz zwischen dem über den feststehenden Spiegel 31 geleiteten Teilbündel des Lichtbündels R₁ und dem über den verstellten Spiegel 30 geleiteten Teilbündel des Lichtbündels R₂ zu Null, was eine weiße Interferenzverstärkung zwischen diesen beiden Teilbündeln ergibt.

Der entstandene Seiten-Interferenzstreifen ^₁ hat, verglichen mit dem zentralen Interferenzstreifen p, verringerte Intensität, da ihm die überlagerte Interferenzverstärkung der verbleibenden zwei der im ganzen vier Teilbündel fehlt. Trotzdem hebt sich der Seiten - Interferenzstreifen klar vom angrenzenden Untergrund und anderen gelegentlichen, nicht deutbaren komplexen Teilinterferenzsignal-Niveaus ab. Da die Stellung des Spiegels, bei der der Interferenzstreifen gf, auftritt, und damit auch unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Spiegelbewegung, die Zeit zwischen dem Auftreten der oben erläuterten Zeitmarke und dem Auftreten des Streifens Q₁ von der optischen Wegdifferenz b und damit z. B. von der Filmdicke abhängt, ist ein zweiter zeitlicher Bezugspunkt geschaffen, auf den sich die Messung stützen kann.

Ein zweiter Seiten-Interferenzstreifen mit exakt derselben Amplitude wie Q₁, nämlich g₂ , wird an der entgegengesetzten Seite des zentralen Interferenz-Streifens ρ hervorgebracht, und zwar als Ergebnis einer nach rechts gerichteten Bewegung des Spiegels 30 gleicher Größe bezüglich des Strahlenteilers 32; denn die Weglänge des Teilstrahlenbündels R₁ zum Spiegel 30 ist dann schließlich so weit verlängert, bis sie der des I^-Teilstrahlbündels gleichkommt, das vom Spiegel 31 rückreflektiert wird. Dieser dritte Interferenzstreifen bringt also einen anderen separaten zeitlichen Bezugspunkt hervor, und zwar entweder in Beziehung zum zentralen Interferenzstreifen p, zum Seiten-Interferenzstreifen g_x oder eben zu irgendeinem anderen in geeigneter Weise festgelegten Bezugspunkt, der eine Messung zuläßt.

Eine genaue Steuerung der Verschiebungsbewegung des Spiegels 30 ist natürlich notwendig, um eine genaue Zeitmessung zu erhalten; ein bequemer Antrieb ist der durch den Sägezahn-Oszillator 37 der · F i g. 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 F i g. 3 überlagert gezeichnet ist. Dieser Linienzug ist für den Zweck dieser Beschreibung symmetrisch zum zentralen Interferenzstreifen ρ dargestellt, aber natürlich besteht ein großer Spielraum in dieser Hinsicht. Um die Zeitmessung von Intervallen If zwischen dem zentralen Interferenzstreifen ρ und dem Seiten-Interferenzstreifen g₂ zu vereinfachen, wird vorzugsweise die Translationsgeschwindigkeit des Spiegels 30, d. h. der Anstieg des Linienzuges m, während seines Uberstreichens über das korrespondierende Distanzintervall konstant gehalten, so daß sich die kurzen Rückkehrperioden des Spiegels, die zu den Endlinien tri und m" gehören, mit Absicht jeweils links bzw. rechts an die Seiten-Interferenzstreifen ^₁ und g₂ anschließen. Quantitativ kann die Intensität der Strahlung Ij-, die von dem photoelektrischen Detektor 33 empfangen wird, als Funktion der Änderung des optischen • Weglängenunterschiedes r der Teilstrahlbündel ausgedrückt werden, und zwar als Produkt der Intensitätsverteilung vom Film und vom Interferometer mit Summierung über alle vorkommenden Frequenzen, und zwar durch die Gleichung

I_f (r) = I₀ 2L cos² neb cos² (π er), (4)

wobei I₀, die Strahlung der Quelle, als konstant angenommen ist und c = — die Wellenzahl der verwendeten Strahlung ist. Eine Aufzeichnung der photoelektrisch aufgenommenen Strahlung in dem interessanten Bereich stellt das bereits besprochene Interferogramm der F i g. 3 dar.

Die Bewegung des Spiegels 30 um einen bestimmten Betrag bewirkt eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung der im Interferometer eingeführten optischen Wegdifferenz um den doppelten Betrag, da ein vom Strahlenteiler 32 ausgehendes Teilbündel den Weg zwischen dem Strahlenteiler und dem Spiegel zweimal durchläuft. Entsprechend ist es möglich, den Weg des Spiegels direkt in Einheiten der optischen Wegdifferenz r anzugeben, wie dies in Fig. 4 geschehen ist.

In dieser Figur ist, unter Berücksichtigung nur einer Hälfte des Spiegelweges, die Weglinie m schematisch zusammen mit den ihr zugeordneten Endabschnitten m' dargestellt und gibt die Beziehung zwischen der als Abszisse aufgetragenen Zeit zu 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 Maß, nicht mehr wie in F i g. 3 für die Translationsgeschwindigkeit des Spiegels, sondern für die Geschwindigkeit, mit der die optische Wegdifferenz im Interferometer während der Spiegelbewegung geändert wird.

Bezeichnet man mit T die Zeit, die erforderlich ist, den Spiegel aus seiner Null-Lage, d. h. der Lage, in der die Wegdifferenz r im Interferometer Null ist, bis zum Punkt seiner maximalen Auslenkung zu bewegen, und mit B die der maximalen Spiegelauslenkung entsprechende maximale optische Wegdiffe-

renz, dann ist der Quotient ψ gleich der Steigung der Geraden m und damit gleich der Geschwindigkeit der Änderung der optischen Wegdifferenz. Die Größen B und T sind aus den Konstruktionsdaten des Spiegelantriebes ableitbar und für einen bestimmten Spiegelantrieb jeweils konstant.

Das verstrichene Zeitintervall Jt zwischen benachbarten weißen Interferenzstreifen ist die optische Wegdifferenz b im Film dividiert durch die Geschwin-

digkeit der Änderung der optischen Wegdifferenz γ,

so daß man bei Substitution aus der Gleichung (1) erhält

At =

oder, wenn man die Größen umstellt, ergibt sich d, die Dicke des Films, als eine Funktion der verstriche-

nen Zeit Jt zwischen den Interferenzstreifen entsprechend der Gleichung

d —

(6)

2 na 1 cos B₁

Dementsprechend gibt die Bestimmung der verstrichenen Zeit At ein direktes Maß der Filmdicke d, vorausgesetzt natürlich, daß die Bewegung des Spiegels 30 wenigstens so groß ist wie der maximale optische Weg im Film, falls nicht der Bezugspunkt in vorbestimmter Weise in einer Richtung verlegt wird, bei der der analytische Abtastbereich verkürzt wird. Letzteres wird im allgemeinen bevorzugt, da so die Zeiten des Zyklus entsprechend reduziert werden können und in einer gegebenen Zeitperiode eine größere Zahl von Dickemessungen vorgenommen werden kann.

In F i g. 5 ist eine andere Art eines Interferometers dargestellt, die sich dazu eignet, nur einen einzelnen weißen Interferenzstreifen herzustellen. Hier wird der Film 10' durch die Eingangsstrahlung 15' abgetastet, die sowohl· auf die frontseitige als auch auf die rückseitige Oberfläche in derselben Weise wie in F i g. 1 auffällt, wobei sie als Ausgangsstrahlung in einem zuerst reflektierten Teilstrahlbündel 23' und einem an zweiter Stelle reflektierten Teilstrahlbündel 23" reflektiert wird, wie es schematisch gezeigt ist; diese beiden Teilstrahlbündel werden auf eine optische Platte 42 mit ebenen Flächen geleitet.

Die Platte 42 ist mit einer ersten lichtreflektierenden Beschichtung, wie aufgedampftem Aluminium oder ähnlichem Material, versehen, die sich nur über einen beschränkten Bereich der Frontfläche 43 und nur quer zum Weg des Teilstrahlbündels 23" erstreckt; ferner ist die Platte 42 mit einer zweiten lichtreflektierenden Beschichtung 44 über einen schmalen Bereich auf der Rückseite der Platte versehen, die sich nur quer zum Weg des Teilstrahlbündels 23' erstreckt. Unter diesen Umständen werden die zwei Wellenzüge entlang Wegen umgelenkt, die sie auf einem Strahlungsdetektor 33' auftreffen lassen, der von der-• selben Art sein kann wie der früher beschriebene Detektor 33.

Den Abtastvorschub der Platte 42 erhält man, indem man die Platte um einen Drehpunkt D so oszillieren läßt, daß die Länge des Wegs eines reflektierten Teilstrahlbündels, in diesem Fall des Teil-Strahlbündels 23", festgehalten wird. Immer dann, wenn die Einfallswinkel der Strahlung auf den Film und auf die Platten gleich sind und ebenfalls die optischen Wegdifferenzen BCH innerhalb des Films 10' und BFG des Teilstrahlbündels 23' innerhalb der Platte 42 ebenfalls gleich sind, wie es periodisch während der zyklischen Oszillation der Platte 42 um den Drehpunkt D der Fall ist, erhält man einen weißen Interferenzstreifen. Die Anforderungen an extreme Präzision bei der Spiegelanordnung an der Platte 42 können übrigens, falls gewünscht, geringer gehalten werden, indem man einfach die ganze Front-Spiegelfläche der Platte nur halb versilbert und die ganze Rückfläche voll versilbert.

AIs Bezugspunkt, der die andere der zwei Zeitintervallmarken liefert, auf die die Messung begründet wird, kann dann bequem irgendein anderer Punkt der oszillatorischen Bewegung der Platte 42 dienen, der in geeigneter Weise zeitlich verschoben gegenüber dem weißen Interlerenzstreifen ist und dessen Erreichen durch Lieferung eines elektrischen Impulses signalisiert wird. Dieser elektrische Ausgangsimpuls wird demzufolge zeitlich mit der zyklischen Bewegung der Platte 42 synchronisiert.

Die zwischen den jeweils gewählten Zeitmarken verstrichene Zeit kann man mit an sich bekannter Zeitmeßtechnik messen, indem man eine Vielzahl kleiner Zeitintervalle als Zeitbasis zugrunde legt und die Zahl der zwischen den Zeitmarken liegenden ZeitIntervalle abzählt.

Die Zeitintervalle können mit einem Glockenimpulsgenerator geschaffen werden, der in der zu messenden Zeitdifferenz eine Vielzahl von Glockenimpulsen liefert, deren Anzahl zwischen den beiden Zeitmarken mit üblichen Mitteln gezählt wird (vgl. »Instruments and Control-System«, S. 125 bis 128, September 1962, veröffentlicht durch »The Instruments Publishing Company«).

Die Zeitintervalle können jedoch auch geschaffen werden, indem man der »weißen«, d. h. breitbandigen, Meßstrahlung eine monochromatische Strahlung mittels eines halbdurchlässigen Spiegels überlagert, so daß zwei unterschiedliche Eingangsstrahlenbündel zum Interferometer gelangen. Typischerweise wird eine monochromatische Strahlung im sichtbaren Lichtbereich mit Grünton mit einer Wellenlänge von etwa 5000 Ä verwendet. Im aufgenommenen Interferogramm überlagert sich dann dem Interferenzverstärkungsbild der breitbandigen Meßstrahlung mit den als Zeitmarken verwendbaren weißen Interferenzstreifen ein Interferenzstreifenbild mit einer Vielzahl von Interferenzmaxima der monochromatischen Strahlung, deren zwischen den Zeitmarken festgestellte Anzahl auf Grund der bekannten Frequenz der monochromatischen Strahlung die zu messende Zeitdifferenz bestimmen läßt. Bei einem Film mit einer Dicke von 0,25 mm erhält man beispielsweise zwisehen dem als erste Zeitmarke dienenden zentralen weißen Interferenzstreifen und einem der beiden weißen Seiten-Interferenzstreifen, der als zweite Zeitmarke dient, ungefähr 760 Interferenzmaxima der als Zeitbasis dienenden monochromatischen Strahlung von 5000 Ä. Auch hier kann man mit elektronischen Impulsfiltern die Ausfällung der als Zeitbasis dienenden Interferenzverstärkungen elektronisch vornehmen und gegebenenfalls selbsttätig registrieren.

In manchen Fällen ist man nicht daran interessiert, ständig die Filmdicke selbst zu bestimmen, sondern man möchte lediglich feststellen, wann die Filmdicke von vorgeschriebenen Sollwerten, gegebenenfalls mit einer gewissen Toleranz, abweicht. Dann ist es vorteilhaft, bei der Messung einen von der Sollfilmdicke abhängigen Nullordinatenabstand einzuführen.

Eine Möglichkeit einer solchen Meßmethode besteht in der Unterdrückung des als eine Zeitmarke dienenden zentralen weißen Interferenzstreifens um einen bekannten festen vorgegebenen Wert und einer entsprechenden Maßstabwahl im Bereich der variablen Zeitmarke. Eine andere Möglichkeit besteht in einer entsprechenden Verstellung des Interferometers, indem man etwa bei einem Michelson-Interferometer entweder den Abstand des festen Spiegels zum halbdurchlässigen Eingangsspiegel verkürzt oder eine entsprechende Verstellung an der Halterung des beweglichen Spiegels vornimmt. Beim letztgenannten Meßverfahren ist es beispielsweise zur überwachung der Dicke eines Films mit etwa 0,4 mm Solldicke typisch, den beweglichen Spiegel mit einer Abtastgeschwindigkeit von etwa 10 bis 160Hz über einen

Bereich zwischen nur 0,06 und 0,004 mm hin- und herzubevvegen, je nachdem, welche Toleranz eingehalten werden soll. Je höher die Frequenz der Abtastgeschwindigkeit ist, um so größer ist die Zahl der Filmdickemessungen, die in einem gegebenen Zeitintervall durchgeführt werden können.

Es ist zweckmäßig, wenn das Meßsignal, welches von dem dem Interferometer nachgeordneten Empfänger aufgenommen wird, durch ein einstellbares Dämpfungsglied geleitet wird, dessen abgestufte Verstärkung von Hand eingestellt werden kann, so daß eine Bedienungsperson die Meß- und gegebenenfalls Registriervorrichtung bezüglich der Signalhöhe an die zu messende Filmdicke anpassen kann.

Eine Einrichtung, mit der das soeben beschriebene Verfahren, durchgeführt werden kann, zeigt die F i g. 6. Bei dieser Einrichtung wird die Filmdickenmessung an einem fortlaufend bewegten Film 10' vorgenommen, der zwischen zwei Rollen 1Γ und 12' vor dem optischen Teil 65 der Meßeinrichtung vorbeiläuft. Der Aufbau des optischen Teiles 65 der Meßeinrichtung entspricht dem in F i g. 1 gezeigten, wobei anstatt des Prismas 19 ein halb durchlässiger, unter 45° geneigter Spiegel 67 vorgesehen ist. Als Interferometer ist das in F i g. 2 gezeigte Interferometer vom Michelson-Typ benutzt. Der elektrische Teil 66 der Meßeinrichtung umfaßt einen Sägezahn-Generator 70, dessen Ausgangssignal 68 über einen Verstärker 71 den elektrodynamischen Schwingankermotor 72 für den Antrieb des Spiegels 30' zugeführt ist. Einer der beiden Spiegel 30' und 31' ist mittels einer Mikrometerschraube entsprechend der Solldicke des Filmes so verstellt, daß die Fotozelle nur noch einen der beiden Seiten-Interferenzstreifen g_l oder g₂ sieht, wobei der Hub des bewegbaren Spiegels entsprechend der zu erwartenden Dickenabweichungen von der Solldicke gewählt ist.

Das Ausgangssignal der Fotozelle 33' gelangt über einen Verstärker 75, ein Dämpfungsglied 76, einen weiteren Verstärker 77 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 rechteckwellenförmiges Signal ab, dessen Gleichstrommittelwert vom zeitlichen Unterschied des Auftretens der Impulse aus der Stufe 78 und der Spitzen des Sägezahnsignals abhängt. Der Mittelwert wird in einem Meßinstrument 80 sichtbar gemacht und gleichzeitig in einem Schreiber 81 aufgezeichnet.

F i g. 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 lediglich durch das Signal I getriggert ist, erzeugte Signal, mit III das von der Stufe 78 abgegebene und eine zusätzliche Triggerung des Multivibrators bewirkende Signal und mit IV das in den Instrumenten 80 und 81 zu mittelndc Ausgangssignal des Multivibrators bezeichnet ist.

Als brcitbandigc Strahlungsquelle für das »weiße« Meßstrahlbiindcl verwendet man üblicherweise eine glühende Wolframdriihtlainpe. die mit Gleichstrom betrieben wird und Strahlung im Wellenlüngcnbereich zwischen I bis 3 Mikron aussendet.

Es versteht sich, daß man statt im Reflexionsverfahren gemäß F i g. 1 auch im Durchstrahlungsverfahren die Filmdicke messen kann. Die optische Weglängendifferenz zwischen zwei zur Messung herangezogenen Teilstrahlbündeln entsteht dann dadurch, daß ein Teilstrahlbündel den Film direkt durchsetzt, während das andere einmal im Film hin- und herreflektiert wird, ehe es wie das erste Teilstrahlbündel durch den Film hindurchtritt. Dieses Verfahren ist

ίο jedoch apparativ aufwendiger, da Einrichtungen für die Filmdickemessung zu beiden Seiten des Films angeordnet werden müssen, was beim Reflexionsverfahren nicht erforderlich ist. Wenn man im Durchstrahlungsverfahren mit einer zur Schaffung der Zeitbasis dienenden monochromatischen Zusatzstrahlungsquelle arbeitet, ordnet man diese zweckmäßigerweise so an, daß die monochromatische Strahlung nicht den Film durchtritt.
Wendet man sich nun noch einmal der oben diskutierten Gleichung (5) zu, so erweist sich das Zeitintervall Jf ebenso als Funktion des Brechungsindex η wie der Länge des Weges d, so daß ebenso gut auf diese Weise auch der Brechungsindex meßbar ist.

Eine zum Ausführen einer solchen Messung bevorzugte Vorrichtung ist etwas schematisch in Fig. 8 dargestellt. Hier kann die Probe 86 mit der Dicke d ein laufender Film sein oder aber eine Probe einer fließenden Flüssigkeit oder irgendeine andere physikalische Materialform, die in der im folgenden beschriebenen Weise Strahlung von ihrer Oberfläche reflektiert.

Die verwendete optische Anordnung ähnelt der der Fig. 1, mit der Ausnahme, daß hier gleichzeitig zwei interferometrische Untersuchungen durchgeführt werden, und zwar eine normal zur Probe, bei der der Strahlungsweg in voll ausgezogener Liniendarstellung in F i g. 8 angezeigt ist, und eine andere mit einem Winkel Θ gegenüber der Normalen, bei der der Strahlungsweg in gestrichelten Linien dargestellt ist. Dies läßt sich in bequemer Weise durch Verwendung einer üblichen Quelle 87 mit Kondensorlinsen 18' und 18" durchführen, von denen die erste die Strahlung zum Strahlenteiler 90 richtet, der im wesentlichen die ganze Strahlung entlang des Weges 92 senkrecht zur Fläche der Probe richtet, während die letztgenannte Linse die Strahlung mit einem Winkel von vorzugsweise 45° gegen die Probe richtet, wie es als Linie 85 eingezeichnet ist. Ein Teil des normal gerichteten Strahlenbündels wird sowohl von der frontseitigen als auch der rückseitigen Oberfläche der Probe 86 aus durch den Strahlungsteiler 90 reflektiert und gelangt zum Interferometer 91, das die gleiche Form haben kann, die schon im Zusammenhang mit F i g. 2 besprochen worden ist. Das winkelig auf die Probe 86 auftreffende Strahlenbündel wird von der frontseitigen Fläche entlang eines Weges 88 reflektiert, wobei aber ein Anteil innerhalb der Probe entlang eines Weges mit einem Winkel (-)_x gegenüber der Normalen gebrochen wird,, um anschließend von der rückseitigen Fläche der Probe reflektiert zu werden und dann die Probe entlang des Weges 89 zu verlassen. Diese beiden Teilstrahlbündel werden mittels des Spiegels 93 zum Strahlenteiler 90 reflektiert und gelangen dann zum Interferometer 91.

Aus dem Vorhergehenden wird ersichtlich, daß vier getrennte Wellenzügc vorhanden sind, die sich

zum Gewinnen von weißen Interferenzstreifen eignen, wobei der zentrale Interferenzstreifen· p' (s. F i g. 9) durch Interferenzverstärkung zwischen allen vier Wellenzügen zustande kommt, wenn der hin- und herbewegbare Spiegel des Interferometers 91 an einem Punkt seines Weges ankommt, indem die zwei Interferometerarme exakt gleich sind. Wenn andererseits sich der hin- und herbewegbare Spiegel weiter bei seiner Hin- und Herbewegung fortbewegt, entstehen weiße Seiten-Interferenzstreifen, die der Reihe nach in Beziehung zu dem Strahlenbündel auftreten, das normal auf die Probe entlang der Weglinie 92 auftrifft — das bewirkt den Interferenzstreifen Zi₁ — und in Beziehung zu dem Strahlenbündel, das winklig auf die Probe entlang der Weglang der Weglinie 85 auftrifft — das bewirkt den Interferenzstreifen h₂. Die Seiten-Interferenzstreifen Zi₁ und Zi₂ sind voneinander etwa 1 bis 1,5% des extremen Abstandes zwischen zentralem Interferenzstreifen und Seiten-Interferenzstreifen entfernt, aber sie unterscheiden sich genug, um sich zur Messung der Zeitintervalle At₁ und zli₂ zu eignen, auf die sich die Messung des Brechungsindex stützen kann.

Grundsätzlich ist es möglich, den Brechungsindex auch mit der Anordnung der Fig. 1 oder 5 zu bestimmen, wenn vorausgesetzt werden kann, daß die Proben- bzw. Filmdicke bekannt ist. Da dies· jedoch nicht immer der Fall ist, werden bei dieser Anordnung, wie schon ausgeführt, gleichzeitig zwei Untersuchungen durchgeführt, von denen die eine zum Interferenzstreifen Zz₁ und die andere zum Interferenzstreifen Zi₂ führt. Jede einzelne Untersuchung gleicht im Prinzip der Einzeluntersuchung nach F i g. 1 und 2. Wie dort werden in das Interferometer einfallende Lichtbündel jeweils in zwei Teilbündel aufgespalten, so daß im Interferometer 91 also acht Teilbündel vorhanden sind. Davon interferieren die zum Strahl 91 gehörenden vier Teilbündel untereinander, wie es an Hand von Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, und ergeben die Interferenz Zi₁ und außerdem eine in F i g. 9 nicht gezeigte, symmetrisch zur Interferenz H₁ auf der anderen Seite des Maximums P' liegende Interferenz. In gleicher Weise interferieren die zu den Lichtbündeln 88 und 89 gehörenden vier Teilbündel und ergeben die Interferenz Zi₂ und eine weitere dazu symmetrische, ebenfalls nicht gezeigte Interferenz. Der durch die Anordnung gegebene Weglängenunterschied zwischen dem senkrecht auf den Film eingefallenen Strahl und dem schräg eingefallenen Strahl ist so groß, daß er im Interferometer nicht kompensiert werden kann und daher die jeweils vier zu einem der Strahlen gehörenden Teilbündel miteinander nicht zur Interferenz kommen.

Es gilt entsprechend der obigen Gleichung (5)

At₁ = K (2nd) cos O₁,

wobei K = T/B ist, aber, da B₁ für normal einfallende Strahlung 0° ist, gilt cos B₁ = 1, und deshalb ist At₁ = K {2nd). Ähnlich gilt

/Ji₂ = K (2nd) cos B₁ ,

indessen ist in diesem Fall B₁ der in F i g. 6 gezeigte Brechungswinkel, der für winklig einfallende Strahlung größer als 0 ist. Kombiniert man die Gleichungen, so gilt

/It₂ = If₁ cos B₁ oder cos W₁ = Ii₂/, It₁ .
Dieses Verhältnis der zwei ausführbaren Zeitmes-

60 sungen kann leicht durch konventionelle spannungsmäßige Analogmittel erhalten werden.

Nach dem Snellschen Gesetz gilt sin O₁ = ~^-,

wobei η der Brechungsindex ist. Benutzt man die trigonometrische Formel

sin² B₁ + cos² Q₁ = 1

und substituiert man sin Θ/η für sin G₁ , so erhält man die Gleichung

η cos B₁ = ]/ η² — sin² θ.

Da sin B bekannt ist und cos B₁ bestimmt wird als das Zeitverhältnis At₂IAt₁, kann der Brechungsindex berechnet werden.

Viele polymere Materialien besitzen die Eigenschaft der Doppelbrechung in verschiedenen Graden, und zwar in Abhängigkeit von dem Ausmaß der molekularen Orientierung innerhalb der Kristalle. So hat jeder Kristall drei verschiedene Brechungsindizes, n_x, n_y und n,, die orthogonal aufeinander bezogen sind. Die .Doppelbrechung in der Ebene Länge (x) — Breite (y) für dünne Schichten ist dann definiert als \n_x — n_y\. Wenn ein Doppelbrechung aufweisender Film mit normal einfallender Strahlung ebenso untersucht wird, wie es weiter oben für Filmdickenmessung dargelegt wurde, werden zweifache Seiten-Interferenzstreifen Zc₁ und Zc₂ erhalten, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Wiederum können die Zeitintervalle ZIt₁ und At₂, die beim Abtasten vom zentralen Interferenzstreifen p" zu den Seiten-Interferenzstreifen Zc₁ bzw. Zc₂ auftreten, gemessen werden. Wie von der Diskussion der Gleichung (5) in Anwendung auf Untersuchungen auf normalen .Einfall zum Bestimmen des Brechungsindexes in der oben beschriebenen Weise klar wird, ist im Betrieb die optische Dichte, die als Produkt eines gegebenen Brechungsindex η und der Filmdicke d definiert ist, zum Zeitintervall zlt durch eine gewöhnliche Konstante K' in Beziehung gesetzt, so daß allgemein zli = K' nd gilt. Demzufolge ist

Af₂-Af₁ = K'nJ-K'n/.

Wenn der letztere Ausdruck durch das Produkt K' mal einer mittleren Dicke d_mittel dividiert wird, erhält man die Doppelbrechung, nämlich

K'n_rd - K'n„d

K d_imitlel)

Die mittlere Dicke d_miUel, die hierbei verwendet wird, ist bei der Berechnung nicht besonders kritisch, solange sie sich generell innerhalb des Bereichs der Werte befindet, die bei der überwachung der Dicke in der beschriebenen Weise gemessen werden. Vorteilhaft kann die Filmdicke zugleich mit der Doppelbrechung gemessen werden, da dieselben Seiten-Interferenzstreifen Zc₁ und Zc₂ als Marken verwendet werden; als Dicke wird dann der Mittelwert genommen, der sich auf ein Zeitintervall stützt zwischen Af₁ und Af₂, wenn extreme Genauigkeit gewünscht wird.

Noch verschiedene andere Eigenschaften —^ nur beispielsweise die Anwesenheit von speziellen Substanzen in einem Produkt — sind oft begleitet durch charakteristische Strahlungsinterferenzeffekte, die in ähnlicher Weise ausgemessen und in Beziehung zu ihrer Ursache gesetzt werden können, falls man diese Effekte isolieren kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 209644/34

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen interferometrischen Messung von Dicke oder Brechungsindex eines laufenden, durchsichtigen Films, bei dem auf den Film ein Weißlichtbündel gerichtet wird und die an der Vorderseite und an der Rückseite des Filmes reflektierten, einen Gangunterschied aufweisenden Lichtbündel nach Verändern ihres Gangunterschiedes zur Interferenz gebracht werden und die zum Erzeugen einer weißen Interferenzverstärkung erforderliche Veränderung des Gangunterschiedes gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gangunterschied periodisch verändert und mit gleicher Periode eine Zeitmarke erzeugt wird, daß die gemeinsame Intensität der interferierenden Lichtbündel (23', 23") auf an sich bekanntem, photoelektrischem Wege als elektrisches Signal dargestellt wird und daß der Zeitabstand zwischen der periodischen Zeitmarke und jedem Auftreten eines der weißen Interferenzverstärkung entsprechenden Signals gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden reflektierten Lichtbündel jeweils in zwei weiße Teilbündel zerlegt werden, die nach Verändern ihres Gangunterschiedes zur Interferenz gebracht werden, wobei der Gangunterschied zweier, von dem einen bzw. dem anderen Lichtbündel stammenden Teilbündel gemeinsam gegenüber den zwei anderen Teilbündeln verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand zwischen der Zeitmarke und jedem Auftreten eines Signals gemessen wird, das einen der beiden Interferenzverstärkungen (^₁; g₂) entspricht, die von je einem Teilbündel des einen Lichtbündels (R₁ ; R₂) und je einem Teilbündel des anderen Lichtbündels (R₂; #1) erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitmarke das der anderen der beiden Interferenzverstärkungen (g₂; <7i) entsprechende Signal verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitmarke ein Signal verwendet wird, das einer gleichzeitigen Interferenzverstärkung (P) sowohl der Teilbündel des einen Lichtbündels (R₁) einerseits und der Teilbündel des anderen Lichtbündels (R₂) andererseits entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Intensitätssignale, die unter dem Pegel der einer Interferenzverstärkung entsprechenden Signale liegen, unterdrückt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessung in an sich bekannter Weise durch Zählung kleiner Zeitbasisintervalle vorgenommen wird.

7. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß als interferometrisches Analysiergerät eine ebene lichtdurchlässige Platte (42) dient, die um eine zur Filmebene parallele Achse periodisch drehbar ist, an deren dem Film (U)') zugewandter Seite (43) eine Reflexion des an der Rückseite (C) reflektierten Lichtbündels (23") und an deren dem Film abgewandter Seite (44) eine Reflexion des an der Vorderseite (ß) des Films reflektierten Lichtbündels (23') jeweils an einer lichtreflektierenden Beschichtung erfolgt und daß das Weißlichtbündel (15') unter einem schrägen Winkel auf den Film auffällt (Fig. 5).

8. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als interferometrisches Analysiergerät ein Michelson-Interferometer (26) dient, dessen beweglicher Spiegel (30) nach einer Sägezahnfunktion (F i g. 4) hin- und herbewegbar ist, wobei die flache Zahnflanke der Bewegungsfunktion der Zeitmessung zugeordnet ist.

9. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Lichtquelle (16) für das Weißlichtbündel (15) noch eine zusätzliche, mit ihren Interferenzstreifen eine Zeitbasis schaffende monochromatische Lichtquelle vorgesehen ist.