DE2054084B2

DE2054084B2 - Zweistrahl-infrarotmessung im reflexions- oder durchstrahlungsverfahren

Info

Publication number: DE2054084B2
Application number: DE19702054084
Authority: DE
Inventors: Donald C Columbus Ohio Brunton (V St A)
Original assignee: Brun Sensor Systems Ine , Columbus, Ohio (V St A )
Priority date: 1969-11-05
Filing date: 1970-11-03
Publication date: 1973-03-08
Also published as: DE2054084C3; DE2054084A1; JPS5822682B1; GB1348980A; US3631526A; GB1348978A; JPS5822683B1; GB1348979A; JPS5715321B1

Description

ΔΘ~>

d sin Θ

gegeben ist, wobei Δ Θ das Einfalls-Winkelspektrum, d die Dicke des Film? und A die Wellenlänge des betreffenden Strahlenbündels ist.

3. Zweistrahl-Infrarotmessung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen A₁ und A₂ der beiden Strahlenbündel so gewählt sind, daß sie im gewünschten Infrarotspektrum relativ nahe beieinander liegen, um dadurch eine minimal kleine Phasenverschiebung zwischen den abgetasteten Komponenten jedes Strahlenbündels zu erhalten.

4. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Wellenlängen A₁ und A₂ durch den mathematischen Ausdruck

ΔΙ

A 3Od

gegeben ist, wobui Δ λ die Wellenlängendifferenz und d die Dicke des Films ist.

5. Zweistrahl-Infrarotmessung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Strahlenbündel ein derart breites, die betreffenden mittleren Wellenlängen A₁ bzw. A₂ einschließendes Wellenlängenspektrum Δ Α umfaßt, daß sich die abgetasteten Reflexionskomponenten unter den verschiedensten Phasenwinkeln addieren.

6. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jedes Wellenlängenspektrums Δ Α durch den mathematischen Ausdruck

Δ λ λ
A d

festgelegt ist, wößei A die mittlere Wellenlänge jedes Spektrums und d die Dicke des Films ist.

7. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der beiden Strahlenbündel Strahlformungsvorrichtungen (20) angeordnet sind, die dafür sorgen, daß die Strahlenbündel divergieren und unter dem gewünschten breiten Winkelspektrum auf den Film (C) auftreffen.

8. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (10) so ausgelegt ist, daß sie Strahlenbündel der Wellenlänge A₁ und A₂ erzeugt, die im gewünschten Infrarotspektrum nahe beieinander liegen, um eine minimal kleine Phasenverschiebung zwischen den abgetasteten Komponenten der Strahlenbündel zu erhalten, wobei die maximal erlaubte Differenz zwischen den Wellenlängen A₁ und A₂ durch den mathematischen Ausdruck

JA ^, λ

A 3Od

gegeben ist, wobei Δ A die maximal erlaubte Wellenlängendifferenz, A die betreffende Wellenlänge und d die Dicke des Films ist.

9. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (10) Strahlenbündel erzeugt, die ein relativ breites Wellenlängenspektrum umfassen, so daß sich die abgetasteten Strahlungskomponenten unter sämtlichen möglichen Phasenwinkeln addieren, wobei die kleinste erlaubte Breite JA jedes Strahlenbündelspektrums durch den mathematischen Ausdruck

Δλ ^ λ

festgelegt ist, wobei A die mittlere Wellenlänge jedes Spektrums und d die Dicke des Films ist.

Die Erfindung betrifft die Zweistrahl-Infrarotmessung im Reflexions- oder Dur~hstrahlungsverfahren zur Bestimmung eines Parameters, z.B. der Dicke eines dünnen strahlungsdurchlässigen Films mit spiegelnden Flächen, unter Verwendung einer Zweistrahl-Infrarotstrahlenquelle, einer Strahlungsempfangssonde und eines Signalverstärker- und Analysatorkreises, wobei die Strahlungsquelle zwei diskrete Strahlenbündel im Infrarotbereich mit den zugehörigen Wellenlängen A₁ und A₂ erzeugt, von denen die eine Wellenlänge so gewählt ist, daß sie in bezug auf das Filmmaterial mehr Absorption zeigt als die andere Wellenlänge.

Solche Verfahren und Geräte wurden speziell zu dem Zweck entwickelt, eine Eigenschaft oder einen Parameter, z. B. die Dicke eines dünnen, strahlungsdurchlässigen Films, zu bestimmen, der entweder eine selbsttragende Folie oder aber einen Überzug auf einer Trägerschicht darstellt. Ein spezielles Beispiel hierfür ist ein dünner Film aus organischem Material, etwa Polyäthylen, auf einer relativ dicken Trägerschicht aus Papier oder Metallfolie. Eine erforderliche Eigenschaft des Films, der entweder eine

selbsttragende Folie oder eine Beschichtung darstellt, Flächen des Films und des dadurch bedingten Inter-

liegt darin, daß der FUm spiegelnde Oberflächen auf- ferenzeffekts.

weist und eine auf eine erste oder zweite Oberfläche Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geeinfallende Strahlung stark reflektiert, wobei die löst, daß jedes Strahlenbündel unter einem derart zweite Oberfläche auch die Grenzfläche zwischen dem 5 breiten Winkelspektrum auf die Oberfläche des Films Film und einer darunterliegenden Trägerfolie sein auftrifft, daß durch Reflexion an der oberen und unkann. Eine auf den Film auftreffende Strahlung wird teren Fläche des Film«; die Komponenten jedes Strahan der ersten und zweiten Oberfläche reflekiiert: diese ienbündels sich unter sämtlichen möglichen Phasenreflektie-len Komponenten der Strahlung werden winkeln addieren.

dann, falls es sich um Reflexionsmessungen handelt, io Dadurch wird ein Interferenzeffekt zwischen ersten

durch elektrische Strahlungssonden abgetastet, die so und zweiten Oberflächenreflexionskomponenten im

geschaltet sind, daß sie ein Ausgangssignal oder eine wesentlichen unterdrückt und somit ein fehlerfreies

Ausgabe liefern, die bezeichnend für den speziellen, Ausgangssignal erzeugt.

zu untersuchenden Parameter ist. Bei Durchstrah- Als Ergänzung zu diesem »Weitwinkelverfahren«

lungsmessungen müssen sich die Strahlungssonden 15 zur Unterdrückung von Interferenzfehlern, das auch

auf der anderen Seite des Films, gegenüber der Strah- als unabhängiges Verfahren zur Fehlerunterdrückung

lungsquelle befinden, um die durch den Film hin- verwendet werden kann, werden die Bezugs- und die

durchgehende Strahlung abzutasten. Absorptionswellenlänge so gewählt, daß sie genügend

Ein Zweistrahl-Reflexionsmeßverfahren für den In- nahe beieinander liegen, wodurch die relative Phasenfrarotbereich ist in der USA.-Patentschrift 3 017 512 20 verschiebung zwischen den betreffenden ersten und dargelegt und mag zur Erläuterung derjenigen Mcs- zweiten Obcrflächcnrcflcxionskomponcnten minimal sungen dienen, bei denen das erfindungsgemäße Ver- klein ist. Ein weiteres Verfahren, das in Verbindung fahren zur Interferenzfehlerunterdrückung vorteilhaft mit dem Weitwinkelverfahren oder auch als unabhänverwendet werden kann, um genauere Ergebnisse zu giges Verfahren verwendet werden kann, besteht darerzielen. Ein Herstellungsverfahren, bei dem solche 25 in, daß ein relativ breiter spektraler Wellenlängenbe-Messungen vorzugsweise Anwendung finden, betrifft reich tür den Bezugs- und Absorptionsstrahl verwendie Steuerung eines Parameters eines auf einer beweg- det wird. Bei Verwendung eines breiten spektralen ten, bandförmigen Trägerfolie aufgebrachter Films. Wellenlängenbereichs ergeben sich weitere Reflexions-Beispielsweise soll die Dicke des Films genau gere- komponenten mit sämtlichen möglichen Phasenwingelt werden, um optimale Beschiel tungseigenschaften 30 kein, wodurch ebenfalls Interferenzfehler vermieden oder kontrollierte Produktionskosten zu erzielen; werden.

hierfür muß die Filmdicke kontinuierlich überwacht Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von und ein Ausgangssignal erzeugt werden, das entweder Ausführungsbeispielen veranschaulicht,
eine Sichtanzeige für von Hand durchgeführte Pro- F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines zeßsteuerung darstellt oder als Signal direkt über 35 Zweistrahl-Reflexionsmeßgerätes für den Infraroteinen Rückkopplungskreis in das Prozeßsteuerungs- bereich und erläutert das Weitwinkel verfahren zur gerät eingegeben wird. Interferenzfehlerunterdrückung·,

Die sowohl bei Reflexions- als auch bei Durch- F i g. 2 ist eine schematische Darstellung eines Strahlungsmessungen an einem Film mit spiegelnden Zweistrahl-Reflexionsmeßgerätes für den Infrarot-Oberflächen auftretende Schwierigkeit liegt darin, daß 4° bereich und erläutert die beiden Wellenlängenauserste und zweite Oberflächenreflexionen an den ge- wählverfahren zur Interferenzfehlerunterdrückung, gegenüberliegendenFlächen des selbsttragenden Films und zwar einerseits das Verfahren, bei dem Absorp- oder — bei einer beschichteten Trägerfolie — an der tions- und Bezugswellenlänge nahe beieinander lieäußeren oder freiliegenden Oberfläche des Films und gen, und andererseits das Verfahren, bei dem ein an der gegenüberliegenden Grenzfläche zwischen 45 breites Wellenlängenspektrum verwendet wird;
Film und Trägerfolie auftreten. Die ersten und zwei- F i g. 3 ist eine schematische Darstellung eines ten Oberflächenreflexionen erzeugen entsprechende Zweistrahl-Durchstrahlungsmeßgerätes für den Infra-Signalkomponenten. Da diese Reflexionskomponen- rotbereich und erläutert das Weitwinkelverfahren zur ten für jede bestimmte Wellenlänge jedoch eine Pha- Interferenzfehlerunterdrückung,
senverschiebung erleiden, ergibt sich wegen des In- 50 In Fig. 1 ist ein Zweistrahl-Infrarot-Reflexionsterferenzeffekts ein Ausgangssignal, das eme Funk- meßgerät gezeigt, das mit einer Doppelschichtfolie in tion dieser Phasenverschiebung ist. Wird die Wellen- Beziehung steht, die aus einer Trägerfolie B und einer länge des einen Strahls so gewählt, daß keine charak- auf der Oberfläche der Trägerfolie angebrachten Beteristische Absorption im Film oder in der Träger- schichtung C besteht. Im vorliegenden Beispiel sei folie auftritt, während die andere Wellenlänge eine 55 angenommen, daß die Trägerfolie B und die Becharakteristische Absorption für den Film aufweist, schichtung C ein langgestrecktes Band darstellen, das treten ersichtlicherweise auf Grund des Interferenz- einem Verfahren unterworfen wurde, bei dem die Beeffekts Änderungen der relativen Phasenverschiebun- schichtung auf einer Oberfläche der Trägerfolie aufgen der reflektierten Komponenten auf und erzeugen gebracht wurde. Durch die Messung soll eine Eigenentsprechende Änderungen des abgetasteten Signals, C^ schaft der Beschichtung C, beispielsweise die Schichtwas fehlerhafte Messungen zur Folge hat. dicke d, festgestellt werden. Der letztliche Zweck bei

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, der Bestimmung einer speziellen Eigenschaft einer

eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaf- Schicht, etwa der Schichtdicke, liegt darin, diese In-

fen, bei der Interferenzfehler unterdrückt werden, die formation zur kontinuierlichen Regelung des Be-

sowohl bei Reflexions- als auch Durchstrahlungsmes- 65 Schichtungsvorgangs zu verwenden, also im vorliegen-

sungen an einem Film mit spiegelnden Oberflächen den Beispiel zur Steuerung der Schichtdicke beim

auftreten können, infolge von ersten und zweiten Aufbringen auf die Trägerfolie. Weiterhin sei für das

Oberflächenreflexionen an den gegenüberliegenden vorliegende Beispiel angenommen, daß die Träger-

folie B aus einem Material besteht, das allgemein Strahlungswellenlängen in einer besonderen Verundurchlässig für den speziell verwendeten Infrarot- Suchsanordnung untersucht werden; als Sonde kann bereich ist und eine spiegelnde Oberfläche B₁ an der eine Sperrschichtphotozelle oder ein Photowider-Grenze zur Beschichtung C aufweist. Die Beschich- Standselement verwendet werden. Beide Arten vor tung C soll aus einem für Infrarotstrahlung durch- 5 Sonden enthalten Klemmenanschlüsse, die mit einei lässigen Material bestehen, beispielsweise einem or- elektronischen Verstärkerschaltung verbunden sind, ganischen Polyäthylen, das ebenfalls eine spiegelnde und die Kennwerte des Detektors oder der Sonde Außenfläche C₁ aufweist. dienen dazu, am Ausgang des Verstärkers ein Signal

Die Apparatur zur Erzeugung der notwendigen In- zu erzeugen. Dieses verstärkte Ausgangssignal wird frarotstrahlung und zum Abtasten der reflektierten io dann entsprechenden Verstärkerschaltungen einge-Komponenten jedes der beiden Infrarotstrahlen ist in speist, die auf die mit den beiden spezifischen Strah-F i g. 1 nur schematisch wiedergegeben, da sie sich lenbündeln zusammenhängenden Signalkomponenten aus bekannten Bauelementen zusammensetzt, ein- ansprechen. Die Ausgangssignale der beiden Verstärschließlich einer Zweistrahl-Infrarotstrahlungsquelle kerschaltungen 14 und 15 werden dann einem Ver-10, einer Strahlungsempfangssonde 11 und einem Si- 15 hältnisanalysator 16 eingespeist, dessen Ausgang ein gnalverstärker- und Analysatorkreis 12. Die Strah- Signalausgabegerät 17, etwa ein Anzeigegerät, be luiigsquelle 10 soll zwei diskrete Strahlenbündel im treibt. Die abwechselnde Signalführung vom Verstär-Tnfrarotbereich mit den zugehörigen Wellenlängen A₁ ker 13 zu den Verstärkerschaltungen 14 und 15 wird und A₀ erzeugen und auf die Außenfläche C₁ der Be- durch einen elektronischen Schalter 18 gesteuert, der schichtung C auftrennen lassen. Im vorliegenden Bei- 20 in zeitlichem Zusammenhang mit der Quelle 10 arspiel laufen die beiden Strahlenbündel zwar auf dem beitet, die die beiden diskreten Strahlenbündel ergleichen Weg, werden jedoch nicht gleichzeitig aus- zeugt. Beispielsweise kann der zur Steuerung der FiI-gesendet, sondern zeitlich voneinander getrennt. Der ter verwendete Mechanismus ein Signal liefern, das hier gezeigte Strahl repräsentiert also beide Strahlen- den Schalter 18 synchron betätigt. Eine Leitungsfühbündel, um den optischen Interferenzvorgang erläu- 25 rung für dieses Schaltsignal ist schematisch bei 19 antern zu können, der zur Interferenzfehlerunterdrük- gedeutet. In Anbetracht der ausführlichen Darlegung kung führt. In der USA.-Patentschrift 3 089 382 ist des Strahlungsgenerators und Detektors in der USA.-ein Zweistrahl-Infrarotgenerator dargelegt, der zur Patentschrift 3 089 382 soll die im Vorstehenden geErzeugung der beiden zeitlich getrennten Strahlen- gebene kurze Beschreibung ausreichen,
bündel für das Reflexionsmeßverfahren verwendet 30 Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Unterwerden kann, wie es grundsätzlich in der schon er- drückung von Interferenzfehlern bei Reflexionsmeswähnten USA.-Patentschrift 3 017 512 dargelegt ist. sungen enthält die Strahlungsquelle 10 eine optische Bei dieser Apparatur erzeugt eine Infrarotstrahlungs- Strahlformungsvorrichtung oder Linsenanordnung 20. quelle polychromatische Strahlung und richtet diese die, wie Fig. 1 zeigt, im Strahlengang der aus dem Strahlung auf das zu untersuchende Objekt, wobei 35 Filtersystem austretenden parallelen Lichtbündel oder die Strahlung durch Filterelemente hindurchgeht, die aber hinter der Strahlenquelle vorgesehen sein kann, abwechselnd in den Strahlengang eingebracht werden, wie dies etwa bei einer Reflektoranlage der Fall ist um dadurch die beiden Strahlenbündel zu erzeugen. (nicht dargestellt). Diese Linsenanordnung 20 bewirkt Diese Filterelemente sind Bandpaßfilter eines ausge- eine Dispersion jedes Strahls, wie F i g. 1 zeigt. Andewählten Wellenlängenspektrums und werden mecha- 40 rerseits kann eine Strahlformung auch durch die nanisch in den Strahlengang eingebracht, beispielsweise türliche Dispersion eines nichtgcbündelten oder halbauf einer sich drehenden Scheibe, um abwechselnd gebündelten Strahls beim Verlassen der Quelle erfolzwei zeitlich getrennte Strahlenbündel einer mono- gen und würde der durch das gezeigte Linsensystem chromatischen Strahlung zu erzeugen. Die Wellen- bewirkten Strahlformung äquivalent sein. Auf diese länge des Durchlaßbereiches jedes Filterelements 45 Weise werden die Strahlkomponenten jedes Strahlenhängt von dem speziellen Beschichtungsmaterial und bündeis divergierend auf die Oberfläche C₁ gelenkt der zu untersuchenden Eigenschaft oder dem Para- wobei diese divergierenden Komponenten einen Winmeter der Versuchsanordnung ab, um ein Strahlen- kel α einschließen. Die Strahlenbündel treffen also bündel mit ausgewählter Wellenlänge zu schaffen, bei unter einem breiten Einfallswinkelspektrum auf die der für das Beschichtungsmaterial eine charakte- 5° Oberfläche C₁. Zur schematischen Darstellung des ristische Resonanzabsorption auftritt, während das einfallenden Strahlenbündels sind zwei Linien λ_Λ und andere Strahlenbündel, das als Bezugsstrahl dient, λ_Β mit den zugehörigen Einfallswinkeln Q₁ und Θ₂ eine Wellenlänge hat, die entweder durch die Mate- eingezeichnet Diese Einfallsstrahlkomponenten haben rialeigenschaft nicht beeinflußt wird oder aber eine erste und zweite Reflexionskomponenten, die entgeringere Absorption als der Absorptionsstrahl auf- 55 sprechend mit X_{A v} λ_Α2 und λ_Βν X_Bi bezeichnet sind, weist Die beiden Strahlenbündel werden also bei der In F i g. 1 ist die Reflexion der Strahlkomponenten Reflexion an der Materialgrenzschicht verschiedenen nur schematisch und ohne Berücksichtigung der Bre-Einflüssen unterworfen, da der eine Strahl absorbiert chung angedeutet, die auf Grund verschiedener Brewird, und dieser Unterschied wird durch eine geeig- chungsindizes der Schicht C und des an die Außennete Detektoranlage abgetastet und liefert eine Si- 60 fläche C₁ anschließenden, umgebenden Mediums aufgnalausgabe. treten könnte. Eine Vernachlässigung der Brechung

Die strahlungsempfindliche Sonde 11 befindet sich dient zur Vereinfachung der Beschreibung und ist

unter einem vorgewählten Winkel zur Quelle 10, so zulässig, da die Brechung auf das Verfahren zur Un-

daß die von der ersten und zweiten Oberfläche der terdrückung von Inteiferenzfehlern keinen Einfluß

Beschichtung C₁ und B₁ reflektierten Strahlungskom- 65 hat Eine Reflexion der Strahlkomponenten bewirkt

ponenten auf eine Strahlungsempfangsfläche der jedoch eine weitere Divergenz dieser Komponenten,

Sonde auftreffen. Spezielle Kennwerte der Sonde 11 so daß ein Detektor oder eine Sonde 11 mit relativ

lassen sich dadurch bestimmen, daß die jeweiligen breiter Strahlungsempfangsfläche verwendet werden

muß, die der Divergenz der Strahlen Rechnung trägt. (0,001") größenordnungsgemäß 10° oder mehr, um

Die erforderliche Flächengröße für einen Detektor die zur Interferenzfehlerunterdrückung notwendige

hängt von der speziellen geometrischen Anordnung Phasenverschiebung zu schaffen,

ab, etwa vom Divergenzwinkel und von dem linearen Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung

Abstand im Strahlengang. Großflächige Detektoren 5 stellt das Gerät zum Erzeugen der Infrarotzweistrahl-

mit entsprechenden Eigenschaften sind im Handel er- reflexion am Probenmaterial im wesentlichen das

hältlich, weshalb sich eine eingehende Beschreibung gleiche Gerät wie in Fig. 1 dar, nur ohne die optische

eines speziellen Aufbaus erübrigt. Strahlformungsvorrichtung 20. Ein typisches Gerät

Jedes auf die spiegelnde Außenfläche C₁ der strah- ohne dieses optische System 20 ist schematisch in lungsdurchlässigen Schicht C auftreffende Strahlen- io F i g. 2 gezeigt. Hier bestehen die einfallenden Strahbündel erfährt an dieser ersten Fläche eine Teil- lenbündel l_A und /_ß, d. h. die Bezugs- und Absorpreflexion und liefert an der Grenzfläche B₁ zwischen tionswellenlänge, aus parallelen Strahlkomponenten, der Beschichtung und der Trägerfolie B eine zweite die durch eine herkömmliche Kollimatorlinse herge-Oberflächenreflexionskomponente, die zumindest stellt werden können, wie in den angeführten Schrifeinen Teil des an der ersten Fläche nicht reflektierten 15 ten dargelegt ist. Ein weiterer Unterschied zu der in und durch die Beschichtung hindurchgelassenen F i g. 1 gezeigten Apparatur liegt darin, daß die Strah-Strahls umfaßt. Das ist auch der Faii, wenn die Tfä- lensonde 11 in Fig. 2 kein großflächiger Detektor gerfolie B für die einfallende Wellenlänge nicht un- wie in F i g. 1 zu sein braucht. Wegen des ähnlichen durchlässig ist. Wenn man die beiden Einfallsstrah- Apparateaufbaus für die beiden Verfahren sind ähnlen λ_Α und l_B betrachtet, die in F i g. 1 die Grenzen ao liehe Komponenten und Elemente des Geräts aus des divergierenden Strahlenbündels darstellen, sieht F i g. 2 mit den gleichen Bezugsziffern und -buchman, daß jeder dieser Einfallsstrahlen zugehörige stäben wie in F i g. 1 gekennzeichnet,
erste und zweite Oberflächenreflexionskomponenten Jedes Strahlenbündel )._A oder X_B trifft auf der Ober- λ_Α j, λ_Ηι und λ_Α.-,, λ_Β, erzeugt, die auf die Strahlungs- fläche C₁ der Schicht C unter einem einzigen Einfallsempfangsfläche "der Sonde 11 auftreffen und die er- as winkel auf, so daß nur die zwei deutlich unterschieforderliche Breite der Empfangsfläche festlegen. Zwi- denen Reflexionskomponenten A₁ und X₂ erzeugt werschen den an der ersten und zweiten Oberfläche re- den, die die ersten und zweiten Oberflächenreflexionsflektierten Strahlkomponenten herrscht eine Phasen- komponenten darstellen. Für dieses zweite Verfahren verschiebung, die an der Sonde 11 Interferenz erzeugt werden die Wellenlängen )._A und )._B der beiden Strah- und dadurch die Ausgabe beeinflußt. Dieser Inter- 30 lenbündel speziell so gewählt, daß sie im gewünschferenzeffekt macht sich insbesondere in bezug auf das ten Infrarotbereich des Strahlenspektrums relativ Strahlenbündel bemerkbar, dessen speziell gewählte dicht beieinander liegen, wobei trotzdem das eine Wellenlänge Resonanzabsorption zeigt; denn der- Strahlenbündel Absorption und das andere keine Abjenige Strahlenbündelabschnitt, der eine Reflexion an sorption zeigt. Die Phasenverschiebung der in die der zweiten Oberfläche und Absorption erfährt, liefert 35 Schicht C eintretenden und an der Grenzfläche B_x reeine Angabe über den zu messenden Parameter der flektierten Strahlung ist eine Funktion der Weglänge Schicht, ist jedoch gegenüber demjenigen Strahlen- durch das Material und kann mit der Dicke der bündelabschnitt relativ phasenverschoben, der nur Schicht C, durch die die Strahlung hindurchgeht, in eine Reflexion an der ersten Oberfläche erfährt und Beziehung gesetzt werden, die in diesem Fall mit d nicht durch Absorption beeinflußt wird, wodurch in 40 bezeichnet ist. Durch Auswahl geeignet nahe beieinder Ausgabenanzeige ein Fehler entsteht. anderliegender Wellenlängen kann der Einfluß der

Gemäß dem erfindungsgemäßen Weitwinkelver- Weglänge innerhalb der Schicht auf die Phasenverfahren zur Interferenzfehlerunterdrückung divergieren Schiebung minimal klein gehalten werden, wobei die die durch das Linsensystem 20 hindurchgegangenen maximal erlaubte Differenz durch einen matherriatä-Strahlenbündel und treffen dadurch auf der Ober- 45 sehen Ausdruck angenähert werden kann. Die maxifläche C₁ der Schicht C unter einem breiten Winkel- mal erlaubte Differenz zwischen den Wellenlängen spektrum auf. Dieses Winkelspektrum reicht, wie λ_Α und λ_Β ist gegeben durch den mathematischen Fig. 1 zeigt, von O₁ bis S₂, entsprechend den züge- Ausdruck
hörigen Strahlenelementen ~λ_Α und X_B, die die äußere

Begrenzung des Strahlenbündels bilden. Die Phasen- 50 ^ __ί_._ _;

verschiebung zwischen den ersten und zweiten Ober- λ 3Od
flächenreflexionskomponenten ist eine Funktion des

Einfallswinkels. Durch geeignete Auswahl eines brei- dabei ist A λ die Wellenlängendifferenz für die mittten Winkelspektrums für das einfallende Strahlenbün- lere Wellenlänge λ und d die Dicke der Schicht C. Bei del setzen sich die Reflexionskomponenten aus samt- 55 einer Schichtdicke d in der Größenordnung der WeI-lichen möglichen Phasenwinkeln zusammen, wodurch lenlängen, etwa 2,5 Mikron (μ), läßt sich beispielsein Interferenzfehler unterdrückt wird. Dieser breite weise die maximal erlaubte Wellenlängendifferenz Einfallswinkelbereich kann angenähert werden durch auf etwa 0,08 μ festlegen. Diese Ausführung des erden mathematischen Ausdruck findungsgemäßen Verfahrens läßt sich nur bei relativ

60 dünneu Filmen anwenden. Wenn beispielsweise die

j β > ^λ Filmdicke angenähert 0,0025 cm (0,001") beträgt, er-

^ dun θ ' S*^{bt sidl nach der} obigen Formel eine so kleine Wellenlängendifferenz, daß eine Trennung der Wellen-

wobei J θ die Differenz zwischen den Grenzeinfalls- längen λ_Α und λ_Β in ein absorbiertes und ein nicht abwinkein B₁ und θ₂, λ die Wellenlänge der Strahlung 65 sorbiertes Strahlenbündel nicht durchzuführen ist
und d die Dicke der Schicht C ist. Beispielsweise be- Dieses Wellenlängenauswahlverfahren zur Interträgt diese Einfallswinkeldifferenz bei einer Poly- ferenzfehlerunterdrückung läßt sich als unabhängiäthylenschicht mit einer Dicke von etwa 0,0025 cm ges Verfahren oder aber in Kombination mit dem in

F i g. 1 beschriebenen Weitwinkelverfahren verwen- Dicke d und die gegenüberliegenden Oberflächen C₁

den. Eine Kombination dieser beiden Verfahren, und B₁. Die Gerätekomponenten sind die gleichen

nämlich des Weitwinkelverfahrens und des Verfah- wie bei der bisherigen Beschreibung, nur daß der

rens zur Auswahl benachbarter Wellenlängen, verbes- Detektor 11 auf der anderen Seite des Films C, ge-

sert die Interferenzfehlerunterdrückung in der An- 5 genüber der Strahlenquelle 10, liegt,

zeigenausgabe der Apparatur. Die ergänzende Wir- Im vorliegenden Beispiel ist das Weitwinkelverfah-

kung der beiden Verfahren ist offensichtlich und for- ren zur Interferenzfehlerunterdrückung dargestellt,

dert keine nähere Erläuterung. jedoch können auch das Verfahren zur Auswahl be-

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung zur In- nachbarter Wellenlängen und das Breitbandverfahren terferenzfehlerunterdrückung bei Reflexionsmessun- io verwendet werden, und zwar als unabhängige Vergen verwendet die in F i g. 2 beschriebene Apparatur. fahren oder in Verbindung mit dem Weitwimkelver-Bei diesem Verfahren werden die beiden Strahlen- fahren. Im vorliegenden Beispiel ist ein divergentes bündel so gewählt, daß jedes Bündel einen relativ Strahlenbündel mit den Grenzen λ_Α und I₀ eingebreiten Spektralbereich umfaßt, der die mittleren zeichnet, das auf die Oberfläche C₁ auftrifft. Die hin-Wellenlängen λ_Α und λ_Β einschließt. Die Phasenver- 15 durchgehenden und an der gegenüberliegenden Fläche Schiebung zwischen den ersten und zweiten Ober- B₁ austretenden Komponenten sind λ_Αν λ_Α2 und flächenreflexionskomponenten ist auch eine Funktion Ab₁, λ_Β2. Ein Teil jeder Slrahlkomponcntc wird innen der speziellen Wellenlänge und kann weitgehend cli- an der spiegelnden Fläche B₁ und dann innen an der miniert werden, wenn sich die Reflexionskomponen- spiegelnden Fläche C₁ reflektiert, ehe dieser Strahlenten der Strahlenbündel unter verschiedensten Phasen- 20 bündel abschnitt aus dem Film austritt. Wegen dieser winkeln addieren. Hierfür wählt man für jedes Strah- größeren Weglänge innerhalb des Films weist die lenbündel einen breiten Spektralbereich, so daß sich Komponente λ_Α ₂ eine relative Phasenverschiebung geriie Reflexionskomponenten unter sämtlichen mög- genüber der Komponente λ_Α _x auf und erzeugt dalichen Phasenwinkeln addieren. Die notwendige spek- durch Interferenzfehler. In ähnlicher Weise ist die trale Bandbreite Δ λ für jede spezifische Wellenlänge 25 Komponente λ_Β ₂ gegenüber der Komponente λ_β , rekann angenähert werden durch den mathematischen lativ phasenverschoben, was ebenfalls zu Interferenz-Ausdruck fehlern führt. Wenn man die Strahlenbündelkompo- Λλ λ nenten unter genügend großem Winkel einfallen läßt, . ^ ," ' der durch den mathematischen Ausdruck

dabei ist λ die mittlere Wellenlänge des zugehörigen Δθ> -

Strahlenbündels und d die Dicke der Schicht C. Bei ^ j _sm Q

einer Schichtdicke d von 0,0025 cm (0,001") ergibt

sich aus diesem mathematischen Ausdruck, daß die gegeben ist, addieren sich die hindurchgelassenen

spektrale Bandbreite für eine effektive Wellenlänge A 35 Strahlenkomponenten unter sämtlichen möglichen

= 2,5 μ mehr als 0,25 μ betragen sollte. Phasenwinkeln und unterdrücken dadurch Inter-

Bei Verwendung dieses dritten Verfahrens als un- ferenzfehler.

abhängiges Verfahren werden Interferenzfehler weit- Das Verfahren zur Wellenlängenauswahl, bei dem

gehend ausgeschaltet; jedoch läßt sich dieses Breit- die absorbierte und die Bezugs-Wellenlänge relativ

bandverfahren auch mit dem in F 3 g. 1 beschriebenen 40 dicht beieinander liegen, gemäß dem mathematischen

Weitwinkelverfahren kombinieren. Auch in diesem Ausdruck

Fall ist die verbessernde Wirkung des kombinierten Λ λ <■ _ V _

Verfahrens aus Weitwinkel- und Breitbandverfahren χ ^ 30d '
offensichtlich und erfordert keine nähere Erläuterung.

Die bisher erläuterten Ausführungsformen zur In- 45 läßt sich auch für Durchstrahlungsmessungen verterferenzfehlerunterdrückung bezogen sich auf Re- wenden. Dieses Verfahren kann auf eine einzige flexionsmessunger, lassen sich jedoch auch für Durch- Strahlkomponente λ_Α bezogen werden und läßt sich Strahlungsmessungen verwenden. Durchstrahlungs- entweder als unabhängiges Verfahren oder in Vermessungen können entweder an selbsttragenden bindung mit dem Weitwinkelverfahren anwenden. In Filmschichten oder an Filmschichten auf einer Trä- 50 ähnlicher Weise kann das Breitbandverfahren, bei gerfolie durchgeführt werden, die ebenfalls strah- dem jedes Strahlenbündel ein Wellenlängenspektrum lungsdurchlässig ist, und zwar sowohl für die Absorp- gemäß der Beziehung
tionswellenlängen als auch für die nicht absorbierten

Wellenlängen. Eine Anordnung für Durchstrahlungs- ^* > A
messungen ist in F i g. 3 gezeigt und bezieht sich im 55 X^d
vorliegenden Fall zur Vereinfachung der Beschreibung auf einen selbsttragenden Film. Der Film ist umfaßt, für sich allein oder in Verbindung mit dem wieder mit dem Buchstaben C bezeichnet und hat die Weitwinkelverfahren verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

wöftei Patentansprüche:

1. Zweistrahl-Infrarotmessung im Reflexionsoder Durchstrahlungsverfahren zur Bestimmung eines Parameters, z. B. der Dicke eines dünnen strahlungsdurchlässigen Films mit spiegelnden Flächen, unter Verwendung einer Zweistrahl-Infrarotstrahlungsquelle, einer Strahlungsempfangssonde und eines Signalverstärker- und Analysatorkreises, wobei die Strahlungsquelle zwei diskrete Strahlenbündel im Infrarotbereich mit den zugehörigen Wellenlängen A_A und A₀ erzeugt, von denen die eine Wellenlänge so gewählt ist, daß sie in bezug auf das Filmmaterial mehr Absorption zeigt als die andere Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlenbündel unter einem derart breiten Winkelspektrum auf die Oberfläche (C₁) des Films (C) auftrifft, daß durch Reflexion an der oberen und unteren Fläche (B₁, C₁) des Films die Komponenten jedes Strahlenbündels sich unter sämtlichen möglichen Phasenwinkeln addieren.

2. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelspektrum für die einfallende Strahlung durch den mathematischen Ausdruck