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Interferenzmikroskop Zur Untersuchung von Oberflachen auf ihre Mikrostruktur
sind Interferenzinikroskope bekannt, bei denen der von einer Lichtquelle ausgehende
Strahlengang durch eine Teilungsplatte auf das zu untersuchende Objekt und eine
Vergleichsfläche aufgeteilt wird. Die von diesen beiden Flächen reflektierten Strahlenbündel
erreichen Tiber die Teilungsplatte gemeinsam (las Okular des Mikroskops und interferieren
auf.ihrein Weg miteinander. Zur Verbesserung der Interferenzbilder hat inan zwischen
der Teilungsplatte und den miteinander zu vergleichenden Flächen je ein Mikroskopobjektiv
angeordnet, durch (las eine vergrößerte Abbildung der beiden h1;iclien in der Bildebene
des Okulars erzeugt wird. Diese Geriite arbeiten entweder finit liitei-fci-eiizeii
gleicher Dicke oller solchen gleicher Neigung. Dabei wurde immer mit einfacher Reflexion
der Strahlenhiischel an den zti vergleichenden Flachen gearbeitet.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man mit dein Interferenzinikroskop
eine wesentlich lüihere Tiefenauflösung, unter Umständen bis zu molekularen Schichtdicken,
erhält, wenn inan statt der einfachen Reflexionen Mehrfaehreflexinterferenzen anwendet.
Gemäß der Erfindung wird das bei einem Interferenzmikroskop der obenerwähnten Art
mit Teilungsplatte und dein Objekt sowie dem Vergleichsspiegel zugeordneten optischen
Abbildungssystemen dadurch erreicht, daß Objekt und Vergleichsspiegel mittels der
optischen Systeme reell aufeinander abgebildet werden. Dadurch ergeben sich zwischen
den beiden Flächen Mehrfachreflexionen,
wobei nach jedem vollen
Hin- und Herlaufen des Strahlenbündels ein Teilbündel durch die Teilungsplatte abgespaltet
und dem Okular zugeführt wird. Der Abstand der zu vergleichenden Flächen untereinander
bzw. von der Teilungsplatte, sowie die Durchlässigkeit und das Reflexionsvermögen
dieser Platte werden dabei zweckmäßig so gewählt, daß die aufeinanderfolgenden Teilstrahlen
gleiche Phasendifferenz besitzen und ihre Intensitäten in einer geometrischen Reihe
abnehmen.
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Da zur Erzielung sehr scharfer Interferenzstreifen eine möglichst
hohe Zahl von Reflexionen erwünscht ist, besteht außerdem die Forderung, daß die
aufeinanderfolgenden Teilstrahlenbündel in ihrer Intensität um möglichst kleine
Stufen abnehmen. Bei entsprechender Bemessung der Durchlässigkeit und damit des
Reflexionsvermögens der Teilungsplatte kann es dann bei einzelnen Anordnungen vorkommen,
daß die Intensität des ersten Teilstrahlenbündels aus der geometrischen Reihe herausfällt.
Dieser Nachteil läßt sich dadurch beheben, daß gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken
eine Hilfsteilungsplatte vorgesehen wird, durch die der von der Lichtquelle kommende
Strahlengang aufgeteilt wird, bevor er die Hauptteilungsplatte erreicht, wobei der
abgespaltete Hilfsstrahlengang zur interferentiellen Auslöschung des ersten, die
Hauptteilungsplatte durchsetzenden Teilstrahlenbündels dient.
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Eine besonders günstige Anordnung hinsichtlich einer feinstufigen
Abnahme der Intensitäten aufeinanderfolgender Strahlen ergibt sich, wenn man dafür
sorgt, daß die zwischen Objekt und Vergleichsspiegel mehrfach reflektierten Strahlen
jeweils nur auf ihrem einen Weg zwischen diesen beiden Flächen die Teilungsplatte
durchsetzen. Zu diesem Zweck wird gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken die Teilungsplatte
so zwischen Objekt und Vergleichsspiegel angeordnet, daß sie nur einen Teil, vorzugsweise
etwa die Hälfte, der Apertur des Abbildungsstrahlenganges ausnutzt. Die Intensitätsabnahme
der Teilstrahlen erfolgt dann nach einer geometrischen Reihe mit linearem Koeffizienten,
während im Fall einer Teilungsplatte, die die gesamte Ap@rtur ausfüllt, die Strahlen
beim Hin- und Rückweg die Teilungsplatte durchsetzen und dementsprechend der Abnahmekoeffizient
quadratisch ist.
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Beim erfindungsgemäß ausgebildeten Interferenzmikroskop wird vorzugsweise
mit Interferenzen gleicher Neigung gearbeitet. Zu diesem Zweck wird im Strahlengang
des Objekts oder des Vergleichsspiegels, und zwar zwischen der Teilungsplatte und
dem entsprechenden Objektiv, eine kippbare planparallele Platte eingefügt, durch
die eine seitliche Versetzung der Strahlen erzielt wird. Statt der Anwendung der
Planplatte kann gegebenenfalls auch eine Seitenversetzung des einen Objektivs gegen
das andere vorgenommen werden. Sollen Interferenzen gleicher Dicke ausgenutzt werden,
was in manchen Fällen erwünscht sein kann, so werden an Stelle der Strahlversetzung
durch die Planplatte Objekt oder Vergleichsspiegel um eine in ihrer Fläche liegende
Achse gekippt.
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Zur, näheren Erläuterung der Erfindung sind in den Fig. i bis 7 der
Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele von Interferenzmikroskopen schematisch
dargestellt. Diese Beispiele zeigen im übrigen auch noch weitere Merkmale der Erfindung.
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Beim Interferenzmikroskop nach Fig. i werden die von der monochromatischen
Lichtquelle i ausgehenden Strahlen durch das Objektiv 2 parallel gemacht und treffen
auf das Prisma 3 mit teildurchlässig verspiegelter Fläche auf, wo sie in zwei kohärente
Anteile zerlegt werden. Der eine Teil wird in das aus dem Objektiv .I und dem Okular
5 bestehende Fernrohr reflektiert, während der andere Teil -über das Objektiv 6
den Vergleichsspiegel 7 erreicht und von dort über das Teilungsprisma 3 und das
Objektiv 8 auf das Objekt 9 gespiegelt wird. Am Objekt werden die Strahlen wieder
reflektiert und daraufhin im Prisma 3 abermals aufgeteilt. Der eine Teil tritt unmittelbar
in das Beobachtungsfernrohr q., 5 über, während der andere Teil von neuem auf die
Spiegelfläche 7 auftrifft. Zwischen dieser Fläche und dem Objekt 9 tritt also eine
mehrfache Reflexion der Strahlen auf, wobei nach jedem Gang ein Teilstrahlenbündel
im Prisma 3 abgespaltet wird.
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Die beiden Objektive 6 und 8 sind zweckmäßigerweise, aber nicht notwendigerweise
von gleicher Art und Ausführung. Sie sind im Übrigen so gewählt und angeordnet,
daß sie die Flächen 7 und 9 aufeinander abbilden. ZNveckmäßigerweise liegen diese
beiden Flächen jeweils in der Brennebene der Objektive 6 und 8, so daß das Teilungsprisma
im parallelen Strahlengang liegt, und beide Objektive sind vorteilhafterweise auf
unendlich korrigiert. Zwischen dem Prisma 3 und dem Objektiv 6 ist eine kippbare
Planplatte io vorgesehen, - die zur Erzeugung der Interferenzen gleicher Neigung
dient. Bei Neigung der Platte tritt eine seitliche Versetzung der interferierenden
Strahlenbündel zueinander ein. Zur Einstellung der Lichtwegänderung der aufeinanderfolgenden
Teilstrahlenbündel auf einen bestimmten Wellenlängenbruchteil ist im Objektstrahlengang
ein Justierkeil i i angeordnet.
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Hinsichtlich der Intensität der aufeinanderfolgenden Teilstrahlenbündel
gleicher Phasendifferenz sei der Einfachheit halber angenommen, daß die Reflexion
an der Objektfläche 9 und am Vergleichsspiegel 7 annähernd i beträgt, so daß hier
praktisch keine Reflexionsverluste entstehen. Maßgebend für die Intensität der einzelnen
Teilstrahlen ist dann nur noch dasIZeflexionsvermögen R und die Durchlässigkeit
7' des Prismas 3. Die Intensitäten nehmen dann mit der folgenden Reihe ab, wobei
das erste Glied die Intensität des unmittelbar von der Lichtquelle i über die Platte
9 in das Beobachtungsfernrohr eintretenden Strahles ist R, RT=, R3T=, R5T'
...
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Die Reihe ist also nur dann eine geometrische, wenn die Reflexion
und die Durchlässigkeit des
Prismas 3 gleich groß sind, also bei
verlustloser Strahlenteilung je 5o 17c betragen. Im anderen Fall sind die Interferenzen
gestört.
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Fig.2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der auch
mit anderen Durchlässigkeiten und anderen Reflexionsvermögen als 5o% gearbeitet
werden kann. Objekt 9 und Vergleichsspiegel 7 sind wiederum über die Objektive 6
und 8 aufeinander abgebildet. Das Teilungssystem besteht wieder aus einem Glaswürfel
12 mit teildurchlässig verspiegelter Trentiflä ehe. Zwischen dem Würfel 12 und dem
Objektiv 2 der Lichtquelle ist ein weiterer Teilungswürfel 13 vorgesehen, über den
die interferierenden Strahlenbündel (las Beobachtungsfernrohr 14 erreichen. Die
Intensitäten der Teilstrahlenbündel nehmen dann nach der folgenden geometrischen
Reibe all: R2, H272, R27'4 . . .
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Der Quotient der Reihe beträgt somit T2. Wie bei Fig. i sind auch
hier ebenso wie in den folgenden Ausführungsbeispielen die Reflexionsverluste am
Objekt und atn Vergleichsspiegel der Einfachheit halber vernachlässigt. Die Reflexion
und die Durchlässigkeit am @V.ürfel 13 dagegen brauchen nicht berücksichtigt zu
wer(ien, da sie zur Interferenz nicht beitragen. Bei der .\nordnung nach Fig.2 kann
man also (las Verhältnis von R und T des Teilungswiirfels so wählen, (laß eine möglichst
kleinstufige Abnahme der Intensität von Teilstrahl zu Teilstrahl stattfindet.
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Das Interferenzmikroskop nach Fig. 3 ähnelt in allem \\'esentlicl1et1
(lern in Fig. 2 dargestellten; das Teilungsprisma 12 ist jedoch so angeordnet, daß
der Strahlengang zwischen (lern Objekt 9 und dem Vergleichsspiegel 7 am Prisma 12
eine Reflexion erfährt. Infolgedessen ist für die Intensitäten der Teilstrahlenbündel
ein voni lZeflexionsvermögen abhängiger \htialitiieqtiotietit, nämlich R= maßgebend,
Und zwar ergibt sich folgende geometrische Reibe: 7'=. 7"=R2, T ZR' . . .
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In Fig. 4 ist eine hiterferenzanordnung dargestellt, die häufig auch
aus räumlichen Gründen vorteilhaft sein kaiitt, und bei der der Vergleichsspiegel
mit der acbsensenkrecht angeordneten Teilungsplatte ztisarnnietif:illt. Diese teildurchlässig
verspiegelte Platte ist finit 18 bezeichnet, (las reflektierende Objekt niit io.
Die Objektive 15 und 16 bilden Objekt und Vergleichsspiegel wieder aufeinander all.
Der Teiltnigstviirfel 17 dient in der gleichen Weise wie bei den vorhergehenden
Beispielen lediglich zum Einspiegeln der Lichtquelle i in den Strahlengang des -Mikroskops.
Sollen Interferenzen gleicher N eigung erzeugt werden, so wird die Planplatte io
z. B. im parallelen Strahlengang zwischen den Objektiven 15 und 16 angeordnet. Auch
bei dieser Ausführungsform ist erreicht, daß nach jedesmaliger lZeflexion an den
leiden Flächen 18 und 19 ein Teilstrahl allgespaltet wird und das Fernrohr 1 4 erreicht.
Das Objektiv 21 dient lediglich zur 1?rzeugung eines parallelen Strahlenganges am
Ort des Teilungswürfels 17. Die sich hier ergebende Reihe für die Intensitätsabnahme
R, T2, RT2, R2T2, R3T2 . . .
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ist nur dann eine geometrische, wenn T und R wieder gleich groß sind
und z. B. etwa 5o °7o betragen. Wird aber der erste Teilstrahl mit der Intensität
R beseitigt, dann ergibt sich eine rein geometrische Reihe mit dem Quotienten R,
so daß dann auch für die Durchlässigkeit und die Reflexion des Spiegels 18 andere
Werte als 5o,7o gewählt werden können. Da dabei der Quotient R linear ist, wird
eine besonders feinstufige Abnahme der Intensität erreicht.
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Fig. 5 zeigt eine entsprechende Anordnung. Sie ähnelt in allem wesentlichen
der in Fig.4 dargestellten, jedoch ist ein zusätzlicher Hilfsspiegel 22 mit einem
Objektiv 23 vorgesehen. Der Hilfsspiegel ist so angeordnet, daß er über das Teilungsprisma
17 von der Lichtquelle aus Strahlung erhält und diese darin in das Fernrohr 14 reflektiert.
Durch entsprechende Bemessung des Spiegelabstandes und der Strahlintensität wird
erreicht, daß das Hilfsstrahlbündel mit dem ersten von der Teilungsplatte 18 kommenden
Teilstrahl interferiert und diesen Strahl auslöscht.
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Fig. 6 und 7 stellen weitere besonders bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung dar, bei denen ebenfalls der Intensitätsabfall der aufeinanderfolgenden
Teilstrahlen besonders gering ist, so daß sich scharfe Mehrfachreflexinterferenzen
ergeben. In Fig. 6 fällt das von der Lichtquelle i ausgehende Licht auf den Teilungswürfel
25 und erreicht von dort einerseits unmittelbar das Beobachtungsfernrohr ig. und
andererseits über das Objektiv 27 das zu untersuchende Objekt 28. Der Teilungswärfel
25 ist nur so groß bemessen, daß er lediglich die halbe Apertur der Objektive 27
und 29 ausfüllt. Der vom Objekt 28 reflektierte Strahl gelangt daher, ohne den Würfel
2.9 nochmals zu durchsetzen, auf den Vergleichsspiegel 24. Dort wird er reflektiert
und erreicht mit einem Teil über den Würfel 25 das Fernrohr 14. Der andere Teil
geht wiederum zum Objekt 28. Er wird zwischen diesem und dem Spiegel 2.4 mehrfach
reflektiert, wobei jedesmal am Prisma 25 ein Strahlenbündel abgeteilt wird. Da also
die Strahlen zwischen dem Objekt und dein Vergleichsspiegel den Teilungswürfel nur
auf ihrem einen Weg durchsetzen, klingen die Teilstrahlintensitäten auch nur mit
dem linearen Quotient T der geometrischen Reihe ab. Die Reihe lautet: T, R2, TR2,
T2R2, T3R2 . . .
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Auch hier paßt das erste Glied nur dann in die geometrische Reihe,
wenn Reflexion und Durchlässigkeit des Teilungswürfels 25 gleich sind, z. B. wieder
je 5o % betragen. Um auch andere Werte ausnutzen zu können, ist es daher wieder
zweckmäßig, den ersten Teilstrahl durch Interferenz zu vernichten. Das ist mit der
in Fig. 7 dargestellten Anordnung, die im übrigen der nach Fig. 6 gleicht,
möglich.
Vor dem zwischen den Objektiven 27 und 29 angeordneten Hauptteilungsprisma
30 mit der teildurchlässigen Spiegelfläche 31 ist ein weiteres Teilungsprisma
34 vorgesehen. Der von der Lichtquelle i kommende Strahl wird hier geteilt und das
abgespaltete Hilfsstrahlenlyündel wird in das Prisma 32 reflektiert, während der
die Teilungsfläche durchsetzende Teilstrahl auf die Fläche 31
des Hauptteilungsprismas
30 fällt und von dort aus zwischen dem Objekt 28 und dem Vergleichsspiegel
24 mehrfach reflektiert wird. Der erste den Teilungswürfel jo geradlinig durchsetzende
Strahl von der Intensität T tritt in das Prisma 33 über und interferiert nach Reflexion
dort mit dem das Prisma 32 durchsetzenden Hilfsstrahl. Der Wegunterschied und die
Intensität des letzteren sind so gewählt, daß sich die beiden Strahlen gerade auslöschen.
Für die Intensitäten der übrigbleibenden, aufeinanderfolgenden Teilstrahlenbündel
ergibt sich dann die gleiche geometrische Reihe wie bei der Anordnung nach Fig.6,
jedoch ohne das erste Glied.
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Auch bei den Interferenzanordnungen nach Fig. 6 und 7 kann mit Interferenzen
gleicher Neigung oder gleicher Dicke gearbeitet werden. Im ersteren Fall wird zweckmäßig
wieder in den parallelen Strahlengang zwischen Teilungsprisma und Objekt oder Vergleichsspiegel
eine neigbare planparallele Platte eingeschaltet, während im zweiten Fall das Objekt
oder der Vergleichsspiegel selbst gekippt werden.