DE1447253A1

DE1447253A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen interferometrischen Messung von Dickeoder Brechungsindex eines laufenden Films

Info

Publication number: DE1447253A1
Application number: DE19641447253
Authority: DE
Inventors: Flouenoy Philipp Alexander
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1963-08-27
Filing date: 1964-08-27
Publication date: 1969-02-06
Also published as: US3319515A; DE1447253B2; LU46837A1; GB1024598A

Description

DIPL INO. O. PULS I

DR.E.V.PECHMANN 1 / / *7 O C

DR. INO. D. BEHRENS I H H I C 0 J'

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8 MÜNCHEN 00 ρ λ λ .- _9t-_ „

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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·

Üblicherweise wird bei intorferometriachen Unterouohungon

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-

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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 2 518 647_t 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 erreichen_s 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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BAD OBlQINAL

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©it_a Die"'"bekannten Aa'ordtiuagen "eignen-sick.dal»ei höclxstöaö für die stichprobenweise Snslitiun-g; von ■ ' ■' Heßwerten,-' keinesfalls aberfür "quasi-köBtiniiieriieli·"-dttrchuufüto^rQBd@HeasiAögen_t ^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 z_aB·' 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

^^er3OS^M ©tattfinden 'AaBS₈ 'und' daß " *^r

#inW Ejs^atri^run^oder änöere Äms^ertung "der "Meß

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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

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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·:". '■ -" ^; . '■''■'■■■■ ' . ■ ■ ■

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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 herstamnen_s 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·

Pig. 1 zeigt eine Schonaceiohnung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Dickebaatiznmung; eines laufenden Films, bei der die Stelle, des auf-

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h:

AO

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ι- - ..
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

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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

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§ 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?·

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Strahlung ld nahen Infrarotbereioh sein, d.h.« im 1-3 micron-Bereich. Interferenzen bei der Dicke-Hesaung, die durch Filmschwankungen Zustandekommen könnten« sind effektiv beseitigt_v 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

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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·

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«

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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-

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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

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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«llb^findeln 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 R_g zu Null, was eine weiß© Interferenzverstärkun^ zwischen diesen beiden Teilbtiadeln ergibt.

Der entstandene Seiten-InterferenKStreifen ^l hat, verglicheni mit dem zentralen Interferenzstreifen p_g 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-

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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.

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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,

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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

I_r (r) - I₀ 51 coe²^"ob cos² (/7er) (4),

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·

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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 Kaß_f 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.

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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·

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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 23^N 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·

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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

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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

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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

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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.

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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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Wendet aßn sieb nun noch einmal dor oben diskutierten Gleichung (5) au_f 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 Probe_t 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 1S^W 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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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 909806/0340 BAD

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 P^f 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 Θ_Λ, wobei K - S/B let, aber, da θ_Λ 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 θ_v 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 9_Λ% 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 - '

Uach dem Snell * sehen Gesetz gilt ein Q ^

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· D_x, n_ und n_K, dl« orthogonal aufeinander bezogen sind. Die Doppelbrechung in der Ebene Länge (x) - Breite (7) für dünne Schichten ist dann definiert als η_χ - 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 Siohte_v 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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Hoch verschiedene andere Eigenschaften - nur bei* spielsweise die Anwesenheit von speziellen Substanzen in einem Produkt - sind oft "beglöitot durch charakteristische Strahlungsinterferen*effekte_f die gea&B der Erfindung auegemeseen und in BeEiehung su ihrer Ursache geeetst werden können, falle aan dies· Effekt· iaolieren kann·

Patentansprüche

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Claims

niFL. DfG. G. PUI-S -I r Tt / \™£?Γ p η 4t 4*4*853 PATSHTAMWU.T« .. , _Q „„'> 8 MÜNCHEN Oi ΛΑ-dü d /Ί SCHWBIGBBSTK. » · 1 .'* AUgUS"fe 1968 Patentansprüche

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,

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€ 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·

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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·

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