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Interferometer Die Erfindung betrifft ein mit Polarisation arbeitendes
Interferometer zur Benutzung in monochromatischem oder weißem Licht, bei dem ein
doppelbrechendes Prisma das ihm durch einen Polarisator zugeleitete Licht in zwei
zwischen sich einen Winkel proportional dem Prismenwinkel einschließende Bündel
zerlegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Interferometer
dieser Art, das eine wie bei Michelson und Mach-Zehnder erzeugte Interferenz mit
Hilfe von die Interferenzerscheinungen in polarisiertem Licht benutzenden optischen
Elementen mißt, gegenüber den bisher vorgeschlagenen Meßgeräten gleicher Zweckbestimmung
die Ausführung zu vereinfachen und die Einstellung zu erleichtern. Zur Verwirklichung
dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die in der Optik schon anderweitig gebräuchlichen
Maßnahmen der Orientierung der Lichteintrittsfläche gegenüber dem auftretenden Licht
zur Erzielung der höchstmöglichen Richtungsabweichung zwischen ordentlichem und
außerordentlichem Strahl und der Anordnung eines Polarisators zur Analyse des ankommenden,
in zwei Richtungen senkrecht zueinander polarisierten Lichtes herangezogen.
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Nach der Erfindung wird bei einem mit Polarisation arbeitenden Interferometer
der eingangs gekennzeichneten Gattung die Anordnung so getroffen, daß die Eintrittsfläche
des doppelbrechenden Prismas zur Erzielung eines maximalen Winkels zwischen ordentlichem
und außerordentlichem Strahl in an sich bekannter Weise parallel zu der vom Polarisator
kommenden ebenen Welle ausgerichtet ist und der eine Brennpunkt eines den ordentlichen
und den außerordentlichen Strahl erfassenden optischen Betrachtungsgerätes auf der
von der Lichtquelle abgewandten Fläche des Prismas liegt, während zur Sichtbarmachung
des Interferenzmusters ein an sich ebenfalls bekannter Polarisator vorgesehen ist.
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Bei einem in dieser Weise erfindungsgemäß ausgebildeten Polarisations-Interferometer
wird die angestrebte Vereinfachung der Ausführung sowie die gewünschte Erleichterung
der Einstellung durch die Kombination der folgenden Maßnahmen erreicht: a) Das doppelbrechende
Prisma ist nach dem Objekt angeordnet. b) Das Licht wird nicht für die Durchquerung
zweier Zonen des Objekts geteilt, sondern die Beleuchtung wird mit einem kohärenten
Lichtbündel vorgenommen und die Teilung erst hernach mit Hilfe eines einzigen, in
zwei verschiedenen Richtungen zwei unterschiedlich polarisierte Wellen ablenkenden
optischen Elements bewirkt. c) Die Kohärenz des Lichtbündels beim Sichtbarmachen
der Interferenzerscheinung wird durch eine punktförmige Lichtquelle und die Verwendung
eines Analysators gewährleistet.
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Das doppelbrechende Prisma kann erfindungsgemäß durch zwei Halbprismen
mit senkrechten Achsen gebildet sein, die aneinandergekittet sind und von denen
das eine aus Quarz oder Spat und das andere aus Glas mit einer Brechungszahl besteht,
die zwischen der ordentlichen und der außerordentlichen, je einem der austretenden
Lichtbündel entsprechenden Brechungszahl liegt. Auch kann im Brennpunkt eines Kondensors
ein doppelbrechendes Prisma angeordnet sein, das unter 45" zu seinen Hauptebenen
polarisiertes Licht empfängt und das Lichtbündel in zwei parallele, durch den Kondensor
und das zu untersuchende Objekt gehende Lichtbündel zerlegt, welche auf ein Objekt
treffen, in dessen Brennpunkt das hinter dem Objekt liegende doppelbrechende Prisma
die beiden Lichtbündel wieder zu einem einzigen Bündel vereinigt, während ein hinter
diesem Prisma angeordneter Polarisator die Interferenzerscheinung sichtbar macht
und die Durchführung der interferometrischen Messung ermöglicht.
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Der erste Polarisator kann hinter dem zu untersuchenden Objekt in
der Richtung der Lichtstrahlenbahn angeordnet sein, und die beiden Prismen können
ein doppelablenkendes Element mit der Doppelbrechung
Null in der
Mitte bilden. Auch kann das zweite doppelbrechende Prisma so ausgeführt und angeordnet
sein, daß es örtlich nicht festgelegte Interferenzstreifen erzeugt, wenn es sich
von der Brennebene des Objektivs entfernt, mit dem es verbunden ist.
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Bei Anwendung des Interferometers nach der Erfindung zur Untersuchung
von reflektierenden Flächen oder transparenten Körpern mittels eines Hilfsspiegels
kann die Anordnung so getroffen sein, daß ein einziges doppelbrechendes Prisma im
Brennpunkt des Objektivs angeordnet ist und sein Bild auf diesem durch Autokollimation
am Objekt zum Entstehen gebracht wird, während das einfallende Licht durch ein Objektiv
hindurch auf das Objekt geworfen wird und ein Kompemsator von der Bauart Babinet
in dem Lichtrohr an der mit dem zu untersuchenden Objekt verbundenen Stelle vorgesehen
ist.
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Die Zeichnung veranschaulicht das Interferometer nach der Erfindung
beispielsweise in mehreren Ausführungsformen.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine bisher gebräuchliche Vorrichtung zur
Teilung eines Lichtbündels; Fig. 2 läßt, ebenfalls in schematischer Darstellung,
das Wirkungsprinzip des Interferometers nach der Erfindung erkennen; Fig. 3 ist
ein schematischer Achsschnitt durch ein Mikroskop, das in ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Interferometer umgewandelt ist; Fig. 4 zeigt in einem schematischen Schnitt eine
gegenüber Fig. 3 vereinfachte optische Anordnung, bei welcher das transparent betrachtete
Objekt durch eine ebene Welle beleuchtet wird, die mit Hilfe eines Kollimators erzielt
ist; Fig. 5 ist ein schematischer Schnitt durch ein für die Untersuchung von reflektierenden
ebenen Oberflächen geeigneten Interferometer nach der Erfindung; Fig. 6 und 7 geben
Bilder wieder, welche durch interferometrische Messungen mit den Apparaten der Fig.
3 und 5 erhalten sind; Fig. 8 und 9 zeigen das Betrachtungsergebnis bei der Prüfung
einer reflektierenden Oberfläche.
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Gemäß Fig. t geht das Licht, das von einem ausgeleuchteten, im Brennpunkt
eines Kollimators C liegenden Schlitz F kommt, nach diesem Kollimator durch einen
unter 45" ausgerichteten Polarisator P1, wodurch man eine ebene Welle z erhält,
die unter 45" zur Zeichnungsebene polarisiert ist und sich nach einer Lamelle L
aus Spat fortpflanzt, deren Seitenflächen parallel zur Wellenfläche 2i' sind und
die nach Spaltflächen geschnitten ist und deren Achse parallel zur Zeichnungsebene
liegt.
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Die ebene Welle z zerteilt sich im Inneren des Spats in zwei Wellen,
von denen die eine C0, die sogenannte »ordentliche Welle«, in der Zeichnungsebene
und die andere Ce, die sogenannte »außerordentliche Welle«, in einer zur Zeichnungsebene
senkrechten Ebene polarisiert ist. An der Ausgangsseite der Lamelle L bleiben die
beiden Wellen eben und parallel mit der einfallenden Welle, aber die außerordentliche
Welle ist parallel zu sich selbst verschoben.
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Wenn d die Dicke der Lamelle L und ç den Winkel zwischen den Richtungen
der ordentlichen und der außerordentlichen Welle bezeichnet, so ist die Verschiebung
1 der außerordentlichen Welle durch die Gleichung I = d tg p, bestimmt. Daraus folgt,
daß man eine beträchtliche Verschiebung durch Benutzung von doppelbrechenden dicken
Lamelien erhalten kann. Aber diese dicken Lamellen sind durchweg sehr kostspielig.
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Bei dem Interferometer nach der Erfindung (vgl.
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Fig. 2) bietet sich das einfallende Lichtstrahlenbündel
nach dem Durchgang
durch den unter 45" zur Zeichnungsebene ausgerichteten Polarisator P1 in der Form
einer zur Eingangsfläche eines doppelbrechenden Prismas q, z.B. aus Quarz oder Spat,
parallelen ebenen Welle dar.
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Im Punkt I an der Austrittsseite des Prismas q wird die Strahlung
geteilt, da die Ablenkung des ordentlichen Strahls verschieden von der Ablenkung
des außerordentlichen Strahles ist. Der Winkel £ zwischen den Richtungen des ordentlichen
und des außerordentlichen Lichtbündels ist proportional dem Winkel a des Prismas
und hängt nicht von der Dicke des Prismas ab. Nach dem Durchgang durch eine Linse
C, deren Brennpunkt im Punkt I liegt, sind die beiden Lichtbündel parallel, und
die sie trennende Entfernung list durch die Gleichung I = f e e gegeben, in welcher
f C die Brennweite der Linse C bedeutet. Der Wert der Entfernung I kann daher sehr
groß gemacht werden, da man hierfür nur den Wert fc zu vergrößern braucht.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines nach diesem Prinzip erfindungsgemäß
in ein Interferometer umgewandelten Mikroskops. Gemäß Fig. 3 durchquert das von
einer nicht dargestellten Lichtquelle ausgehende Licht zuerst einen unter 45" zur
Zeichnungsebene ausgerichteten Polarisator P1 und erreicht dann ein doppelbrechendes
Prisma q1, dessen zur Kante senkrechte Achse in der Zeichnungsebene liegt und dessen
Eintrittsfläche parallel zu dieser Achse ist. Dieses Prisma q1 kann beispielsweise
aus Quarz bestehen, und sein spitzer Winkel a1 ist von der Größenordnung von beispielsweise
20°. Einem einfallenden Lichtstrahl entsprecbea flder Ausgangsseite des Prismas
zwei unter einem rechten Winkel polarisierte Strahlen. Die Richtungen dieser Strahlen
schließen unter sich einen Winkel e ein, der in dem Falle, wo der Winkel al klein
ist, den Wert hat e (ne = al - n0) worin n, und n0 die Brechungszahlen sind, welche
der außerordentlichen und der ordentlichen Welle entsprechen.
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Ist die Dicke des Prismas in der Mitte gleich dl, so ist die Verzögerung
der außerordentlichen Welle gleich A = dl (ne - n,). Um die mittlere Ablenkung der
beiden Lichtbündel auf Null zu bringen, kann man an das Prisma q1 ein Prisma q2
kittel das entweder ein Glasprisma mit einer Brechungszahl von einem zwischen den
beiden Brechungszahlen n, und n0 gelegenen mittleren Wert oder ein doppelbrechendes
Prisma mit einer zur Achse des Prismas q1 senkrechten Achse sein kann. Die mittlere
Richtung des Lichtbündels wird dadurch nicht geändert, und die Abweichung zwischen
dem außerordentlichen und dem ordentlichen Lichtstrahl ist in diesem letzteren Fall
verdoppelt. Die Gesamtheit dieser beiden Prismen, welche ein Wollaston-Prisma darstellt,
ist im Brennpunkt eines Kondensors C angeordnet. Die beiden gleichartigen Strahlen
verlaufen parallel und durchqueren das zu untersuchende Objekt X, z.B. ein Präparat,
in zwei Punkten A und B, so daß die StreckeA B sich nach der Gleichung AB = efe
bemißt, worin fe die Brennweite des Kondensors ist.
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Nach dem Durchgang durch das Objekt X erreichen die beiden Lichtbündel
ein Objektiv, welches sie in seiner Brennebene vereinigt. In dieser Ebene befindet
sich ein zweites Prisma Q, das ähnlich dem Prisma q1 ausgebildet ist und aus einem
doppelbrechenden Prisma Q1 und einem damit verbundenen Glasprisma oder einer Gesamtheit
von zwei doppelbrechenden Prismen Q1 und Q2 mit der aus der Fig. 3 ersichtlichen
Ausrichtung ihrer Achsen besteht. Damit die Richtungen der beiden Lichtbündel sich
zu einer einzigen Richtung an der Ausgangsseite
des Prismas Q vereinigen,
muß der Winkel a2 des Prismas Q1, wenn die Doppelbrechungszahlen der Prismen q1
und Q1 gleich sind, der Bedingung al a2 r fc - fo genügen, in welcher f, die Brennweite
des Objektivs O ist.
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Die beiden Interferenzstrahlen, welche von zwei getrennten Punkten
des zu untersuchenden Präparats kommen, verschmelzen hinter dem Prisma Q zu einem
einzigen Strahl und treffen in einem einzigen Punkt A1, B1 in der Bildebene X' auf.
Die Gangdifferenz ist Null, wenn die Dicken der Prismen q und Q in den in Betracht
kommenden Punkten und bei Abwesenheit des Objektes gleich sind. Dieser Gangunterschied
ist gleich dem Unterschied der optischen Dicken, welche das Objekt in diesen zwei
voneinander entfernten Punkten aufweist, für deren Abstand I die Gleichung gilt
a1 (ne - n0) fc = a2 (ne - n0) fo Unter diesen Bedingungen wird die Dicke des Objektes
interferometrisch mit der Dicke des gleichen, in seiner Gesamtheit um eine Strecke
1 verschobenen Objektes verglichen. Da die beiden Wellen rechtwinklig polarisiert
sind, muß ein zweiter Polarisator P2 am Ausgang der Anordnung vorgesehen sein, der
unter 45" zu den Polarisationsebenen dieser Wellen ausgerichtet ist, damit die Interferenzerscheinung
sichtbar wird. Das einfachste Mittel zur Ausführung der interferometrischen Messung
besteht darin, die Versetzung durch die Formänderung eines Systems von geraden Interferenzstreifen
zu messen.
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Es genügt hierfür, ein System von Interferenzstreifen zu erzielen,
die in einer mit der Bildebene verbundenen Ebene örtlich festgelegt sind, da das
Interferometer das polarisierte Licht benutzt. Der Kompensator K in der Ausführung
von Babinet ermöglicht nach einer Drehung von 90" um die optische Achse des Systems
die Verwirklichung dieses Ergebnisses.
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Fig. 6 zeigt ein Interferenzbild eines rechtwinkligen Fleckes, dessen
Überdicke ein Bruchteil der Wellenlänge ist. A1, B1 und A2, B2 sind die beiden übereinanderliegenden
und gegeneinander versetzten Bilder. Die Ausrichtung der Schrägflächen des Kompensators
K beträgt 90" gegenüber der Ausrichtung der Prismen q, Q, und man erhält daher Interferenzstreifen,
welche zur Richtung A A2, der Verschiebung der Bilder, parallel sind. Diese Interferenzstreifen
bleiben wie bei Abwesenheit von Überdicke in dem den beiden Bildern gemeinsamen
Bereich. Die Interferometrische Messung besteht darin, daß man die Verschiebung
der Interferenzstreifen im Bereich der Teilung zwischen den Bildern A1, B1 und A2,
B2 mit Bezug auf die außerhalb dieses Bereiches gelegenen Interferenzstreifen mißt.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung erfordert nicht die
Kollimation des Lichtbündels unter der Bedingung, daß die gemessenen Unterschiede
der optischen Wege gering bleiben. Die beiden Prismen wirken nämlich in gleicher
Weise auf die Strahlen, welche durch alle Punkte der nutzbaren Öffnung des Kondensors
gehen, die gleich der Öffnung des Objektivs sein kann, und die Gesamtheit von Kondensor
und Objektiv gewährleistet die Verbindung zwischen den Paaren der Punkte, wo die
Dicken der beiden Prismen gleich sind, was den gleichzeitigen Ausgleich für die
ganze Öffnungsweite ermöglicht.
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In dem Falle, wo das Objektfeld eine bestimmte, nicht vernachlässigbare
Ausdehnung hat, trägt man dem Einfluß der absoluten Dicke der Prismen q und Q Rech-
nung.
Wenn w (vgl. Fig. 3) der halbe Feldwinkel ist, so gilt: y w= f, o wo y der Radius
des benutzten Objektfeldes ist, und wenn d2 die Dicke des Prismas Q ist, ergibt
sich für die Doppelbrechung d von Quarz:
falls man die durch die Doppelbrechung beim Übergang des halben Feldwinkels von
Null auf den Wert w bedingte Änderung des optischen Weges in dem Bildfeld nach einer
Reihe entwickelt, die weiterhin zu dem angenäherten Wert führt: w2 i1 = d2 (nenO)
2 Um eine Verfälschung der Messung durch diese Änderung des optischen Weges zu vermeiden,
kann man an Stelle der einfachen Prismen q und Q gekittete Doppelprismen ql, q2
und Q1, Q2 benutzen, die je einem Prisma von der Dicke Null ungefähr gleichwertig
sind. Ein derartiges Doppelprisma ist vollkommen gleich einem doppelbrechenden Wollaston-Prisma
bekannter Ausführung, das aus zwei aneinandergeklebten und eine Lamelle mit ebenen
und parallelen Seitenflächen bildenden Prismen besteht. Die kristallographischen
Achsen dieser beiden Prismen kreuzen sich und sind gleichzeitig zu den Außenflächen
des gekitteten Wollaston-Prismas parallel.
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Die aus Fig. 4 ersichtliche Ausführungsform des Interferometers nach
der Erfindung entspricht dem Fall, daß man die Beleuchtung des Objektes in polarisiertem
Licht vermeiden will. Bei dieser Anordnung befindet sich das Interferometer vollständig
hinter dem zum untersuchenden Objekt, das eine kohärente Belichtung mittels eines
Kollimators empfängt. Die Prismen q und Q sind zusammen in einem bestimmten Abstand
t von der Brennebene des Objektivs O angeordnet.
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Unter diesen Bedingungen wird das Bild der Lichtquelle geteilt, und
der Abstand der beiden kohärenten Bilder S1 und S2 der Lichtquelle ist S1, S2 =
e t, worin s die doppelte Ablenkung des Prismas Q, q ist. Diese beiden kohärenten
sekundären Lichtquellen lassen örtlich nicht festgelegte Interferenzstreifen entstehen,
deren Ausrichtung stets senkrecht zur Richtung der Versetzung der beiden zusammengehörigen
Bilder des Objektes ist.
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Das erzielte Interferenzbild ist in Fig. 7 schematisch wiedergegeben.
Die Messung der Versetzung erfolgt wie im Falle der Fig. 3 und 6, da die nicht örtlich
festgelegten Interferenzstreifen die gleichen Eigenschaften wie die durch einen
Kompensator von der Bauart Babinet örtlich festgelegten Interferenzstreifen aufweisen.
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Eine für die Untersuchung eines Objektes mit reflektiertem Licht
vorteilhafte Ausführungsform eines Interferometers mit doppelbrechenden Prismen
nach der Erfindung ist aus Fig. 5 ersichtlich, gemäß welcher ein Wollaston-Prisma
ql, q2 - Q1, Q2 in der Brennebene des Objektivs eines metallographischen Mikroskops
angeordnet ist. Durch Autokollimation am Objekt entsteht das Bild dieses Prismas
auf ihm selbst. Das hier benutzte Wollaston-Prisma spielt demnach zuerst die Rolle
des Prismas ql, q2, und dann die Rolle des Prismas Q1, Q2. In diesem Fall enthält
die Anordnung wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die
beiden
Prismen, von denen das eine vor und das andere hinter dem Objekt liegt, so daß keine
Begrenzung des durch die übliche Vorrichtung gelieferten Lichtbündels erforderlich
ist. Die interferometrische Ablesung geschieht mit Hilfe der örtlich festgelegten
Interferenzstreifen eines Babinet-Kompensators K, der z.B. in der Ebene X0 der dem
Objekt zugeordneten Feldblende liegt, während die Spiegelscheibe G die notwendige
Drehung um 90" bewirkt.
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Im Falle einer reflektierenden Oberfläche von mittelmäßiger Beschaffenheit
kann die Untersuchung weitgehend durch die Verwendung eines im Schnitt schematisch
aus Fig. 8 ersichtlichen Musters vereinfacht werden. Bei diesem Muster ist auf der
einen Hälfte einer Glaslamelle V eine reflektierende deutlich abgegrenzte Metallschicht
M aufgetragen, und die Lamelle wird mit dem Muster in Berührung gebracht und dabei
die Metallschicht gegen die zu untersuchende Oberfläche gelegt.
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Man kann dann mit Hilfe der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung formveränderte
Interferenzstreifen in der Zone der Teilung des Bildes des Musters M (vgl. Fig.
9) beobachten und gegebenenfalls die entsprechenden Messungen vornehmen.
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PATENTANSPROCHE: 1. Mit Polarisation arbeitendes Interferometer zur
Benutzung in monochromatischem oder weißem Licht, bei dem ein doppelbrechendes Prisma
das ihm durch einen Polarisator zugeleitete Licht in zwei zwischen sich einen Winkel
proportional dem Prismenwinkel einschließende Bündel zerlegt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eintrittsfläche des doppelbrechenden Prismas (q) zur Erzielung eines maximalen
Winkels zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl in an sich bekannter
Weise parallel zu der vom Polarisator (Pl) kommenden ebenen Welle ausgerichtet ist,
daß ein den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl erfassendes optisches
Betrachtungsgerät (C) so angeordnet ist, daß sein einer Brennpunkt auf der der Lichtquelle
abgewandten Fläche des Prismas liegt, und daß schließlich zur Sichtbarmachung des
Interferenzmusters ein an sich ebenfalls bekannter Polarisator vorgesehen ist.