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Verfahren und Vorrichtung zum Untersuchen der Oberflächenbeschaffenheit
von Körpern
Es ist bekannt, die Oberflächenbeschaffenheit von Körpern, z. B. von
bearbeiteten Werkstücken, mit Hilfe optischer Interferenzverfahren zu untersuchen,
bei denen die Linien gleichen Abstands der zu untersuchenden Oberfläche von einer
ebenen Bezugsfläche durch Interferenz monochromatischen Lichts sichtbar gemacht
und mit dem Mikroskop oder sonstigen subjektiv oder objektiv abbildenden optischen
Vorrichtungen beobachtet werden. Den bisher hierfür gebräuchlichen Verfahren ist
gemeinsam, daß praktisch nur Oberflächen ausgemessen werden können, deren Rauhigkeit,
d. h. deren lokale Höhenunterschiede unter ungefähr I 8 liegen, da sonst die einzelnen
Interferenzlinien zu eng nebeneinanderliegen und deswegen nicht mehr eindeutig verfolgt
werden können. Insbesondere kann z. B. bei die Oberfläche durchziehenden Riefen,
die tiefer als 1 ist sind, keine eindeutige Aussage über Tiefe und Profil gemacht
werden, weil die am Ort der Riefe um mehr als zwei Streifenabstände ausgelenkten
Interferenzstrei fen im Gesichts£elid des Beobachtungsinstruments ineinanderfließen
und daher nicht eindeutig verfolgbar sind. Man könnte daran denken, durch Vergrößern
der Wellenlänge des verwendeten Lichts diesem Mangel abzuhelfen; dem ist aber, abgesehen
von sonstigen Bedenken, durch das Aufhören der Sichtbarkeit eine enge Grenze gesetzt.
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IDie Erfindung behebt die erwähnten Mängel in anderer Weise. Sie
soll das Verfahren unempfindlicher und auch bei größerer Rauhigkeit der Oberfläche
als der oben angegebenen noch brauchbar machen.
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Sie besteht darin, daß an einem durchsichtigen Lackabdruck der zu
untersuchenden Oberfläche optische Interferenzen gleicher Dicke beobachtet
werden,
wobei der Lackabdruck mit seiner die zu untersuchende Oberfläche wiedergebenden
Seite in ein insbesondere flüssiges Medium eingebettet wird, dessen (Blrechungsindex
ungleich I ist und von dem des Lackabdrucks abweicht.
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Es zeigt Fig. 1 schematisch das Prinzip der bisherigen Verfahren,
Fig. 2a und 2b das Bild im Gesichtsfeld des Beobachtungsinstruments für den Fall
einer geraden Riefe in einer sonst ebenen Oberfläche.
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Weiter erläutert Fig. 3 das Prinzip des Verfahrens nach der Erfindung,
Fig. 4a und 4b einen gewissen Vorzug des Verfahrens; Fig. 5 zeigt eine Erweiterung
desselben.
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In Fig. I ist K die zu untersuchende, hier als eben angenommene Oberfläche,
darüber liegt in passendes Abstand eine eventuell teilverspiegelte Planplatte G
aus Glas. Auf diese fallen, praktisch senkrecht, Strahlen I und 1' monochromatischen
Lichtes, die teils schon an G reflektiert werden und dabei Strahlen 2 und 2' ergeben,
während der Rest der Strahlen I und I' nach Durchgang durch G an der hier als spiegelnd
anzunehmenden Oberfläche K zurückgeworfen wird und in Fig. 1 durch die Strahlen
3 und 3' dargestellt ist. Die Strahlen 2 und 3 bzw. 2' und 3' interferieren miteinander,
und es erfolgt Auslöschung, wenn der Gangunterschied zwischen den Strahlen 2 und
3 bzw. 2' und 3' ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Lichtwellenlänge, also
von #/2 ist. Sind die Flächen G und K schwach gegeneinandergeneigt, so sieht man
z. B. in einem auf die Fläche K scharf eingestellten, hier nicht gezeichneten Mikroskop
das Gesichtsfeld von einer Schar paralleler Interferenzlinien durchzogen.
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Zwischen zwei Interferenzlinien ändert sich die Dicke Ider Luftschicht
zwischen G und K um R/2.
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Ist nun K uneben, z. B. durch eine in der Zeichenebene verlaufende,
hier nicht dargestellte Riefe, so zeigen (vgI. Fig. 2 a) die Interferenzstreifen
I an deren Ort Auslenkungen r. Im Fall der Fig. 2a ist die Größe der Auslenkungen
genau gleich dem Streifenabstand. Daraus folgt, daß hier die Tiefe der Riefe gleich
Ä/2 ist; außerdem läßt sich aus den Einzelheiten des Verlaufs noch Genaueres über
das Profil der Riefe entnehmen. Wenn nun aber die Riefentiefe größer ist und insbesondere
größer als ungefähr i, d. h. also, wenn die Größe der Auslenkungen ungefähr den
doppelten Streifenabstand übertrifft, so wird nach den bisherigen Beobach tungsverfahren
das Bild unübersichtlich. Fig. 2b zeigt diesen Fall. Hier lassen sich die Interferenzstreifen
I' oberhalb und unterhalb der durch die Auslenkungen r' angezeigten Riefe nicht
mehr auseinanderhalten, weil sie innerhalb r' ineinanderfließen. Es bliebe infolgedessen
z. B. unentdeckt, wenn das eine Ufer der Riefe um ein ganzzahliges Vielfaches von
A/2 höher oder niedriger wäre als das andere.
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Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird nun die Tiefenauflösung
auch rauheren Oberflächen angepaßt. Es werden nicht mehr Linien gleichen Abstands
der Izu untersuchenden Oberfläche von einer ebenen Bezugsfläche untersucht, sondern
es werden, wie Fig. 3 zeigt, die optischen Wegunterschiede in einem Abdruck aus
einem idurchsichtigen Stoff, insbesondere in einem durchsichtigen Lackabdruck A,
der zu untersuchenden Oberfläche durch Interferenzstreifen sichtbar gemacht und
dadurch diese Oberfläche in meßbarer Weise wiedergegeben.
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Von der zu untersuchenden Oberfläche wird deshalb nach üblichen Verfahren
ein Abdruck, z. ,B. der erwähnte Lackabdruck, hergestellt, der auf der einen Seite
diese Oberfläche wiedergibt, auf der anderen möglichst eben bleiben muß. Er wird
in' ein insbesondere flüssiges Medium E eingebettet und zwischen zwei leicht gegeneinandergeneigte
Planplatten P1 und P2 gelegt, deren Neigungsrichtung hier senkrecht zur Zeichenebene
steht. Zwischen diesen Platten werden nun Interferenzstreifen erzeugt. An den Stellen,
an denen der I,ackabdruck Dickenschwankungen zeigt, wie sie durch das Profil der
zu untersuchenden Oberfläche erzeugt werden, werden die Interferenzlinien ausgelenkt.
Bedeutet nun, wie in Fig. 3 angegeben, D den Abstand der leicht gegeneinandergeneigten,
mit Spiegelschichten s1 und s2 versehenen Planplatten P1 und P2 in der Zeichenebene,
d die Dicke eines im wesentlichen gleichmäßig starken Teils des Lackabdrucks A und
# die Höhe eines auf idiesem.befindlichen Buckels, wie er z. B. als Abdruck einer
Riefe in der zu untersuchenden Oberfläche entsteht, und bezeichnen außerdem nE und
nA die Brechungsindizes des Einbettungsmediums E bzw. des Lackabdrucks A, so ist
an der Stelle, wo ,der Lichtstrahl a einfällt, der optische Weg #a = (2 nE(D-d)
+ n#d), an der Stelle des den erwähnten Bluckel durchsetzenden Lichtstrahls b #b
= 2(nE(D-d-#) + nA(d + #)).
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Ist nun # = #0 gerade der lokale Dickenunterschied des Lackabzugs,
der einem optischen Wegunterschied von #, d. h. eben einer Auslenkung der Interferenzstreifen
um einen Streifenabstand, entspricht, so gilt #b-#a = #, also weiter # = 2 (nE(D-d-#0)
+ nA(d + #0) - nE(D-d)-nAd) oder <3o = 2/2 (nA-nE).
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Vergleichsweise ist dagegen bei den bisher üblichen Verfahren, z.
B. nach Fig. 1, da sich dort Luft mit dem Brechungsindex 1 zwischen G und K befindet,
s$0 = A/2.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist also der lokale Höhenunterschied
der zu untersuchenden Oberfläche oder, was dasselbe ist, der lokale
Dickenunterscbied
des Lackabdrucks, der eine Auslenkung der Interferenzstreifen um einen Streifenabstand
hervorruft, nicht mehr allein von A abhängig, sondern von der Differenz dersBrechungsindizes
von Lackschicht und Einbettungsmittel.
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Durch Variieren derselben ist man in der Lage, idee Empfindlichkeit
des Verfahrens ,innerhalb weiter Grenzen zu verändern und damit der Rauhigkeit der
zu untersuchenden Oberfläche anzupassen. Beispielsweise ist, wenn 11A @ 1,5 gesetzt
wird, für Olivenöl ao = IO zur für Silikonöl 80= = 7 ,u, für Wasser #0 = 3 µ, für
Luft #0 = 0,6 µ. Man sieht, daß #0 um mehr als eine Größenordnung variiert werden
kann.
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Ein weiterer Vorzug des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin,
daß bei der Wiedergabe steiler Flanken im Interferenzbild sich scharfe Interferenzstreifen
ergeben, was bei den bisherigen Beobachtungsverfabren nicht der Fall ist. Fig. pa
zeigt den Fall der bisherigen Beobachtungsverfahren: der einfallende Strahl 4 erzeugt
an der Glasplatte P und an der zu untersuchenden Oberfläche K' durch Reflexion die
Strahlen 5 und 6, die nicht mehr interferieren, weil der Strahl 6 durch die Spiegelung
an der steilen Flanke O zu stark abgelenkt ist. Anders im Fall des Verfahrens nach
der Erfindung, wie Fig. 4b zeigt. Hier befindet sich zwischen den passend verspiegelten
Planplatten Q1 und Q2 im Einbettungsmittel E der Lackabdruck B.
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Der einfallende Strahl 4' durchsetzt teilweise E und B; Idabei wird
der Strahl 6' erzeugt, der mit dem direkt reflektierten Strahl 5' noch interferieren
kann, da er an der steilen Flanke O' nur durch Brechung, also in der Regel vergleichsweise
wenig abgelenkt wird.
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Das zur Einbettung der Lackabdrücke verwendet Medium ist vorzugsweise
flüssig; es kann aber auch daran gedacht werden, ein festes zu verwenden. Zum Beispiel
so, Idaß das feste Medium mit einer ebenen Heizplatte auf den unter Umständen vorher
irgend wie zu härtenden Lackabdruck aufgepreßt wird, wobei sogar schon die obere
Planplatte dazwischengelegt werden könnte.
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Eine Verbesserung des Verfahrens nach der Erfindung zeigt Fig. 5.
Für den Fall, Idaß die andere Seite des Lackabdrucks C nicht ganz eben ist, wird
vorgeschlagen, diese in ein Medium E2 einzubetten, das den gleichen {B«rechungsindex
hat wie der Lackabdruck, so daß Unebenheiten der genannten Seite optisch ohne Einfluß
bleiben. Auf die andere Seite wird dann ein dem Prinzip des Verfahrens nach der
Erfindung entsprechendes anderes Medium E1 aufgetragen und das ganze wiederum zwischen
Planplatten R1 und R2 eingefügt.
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Des weiteren ist es wichtig, zwischen dem Einbettungsmittel einerseits,
den Planplatten und dem Lackabdruck andererseits guten optischen Kontakt herzustellen,
insbesondere auch das Entstehen von Luftblasen zu vermeiden. Es kann sich daher
empfehlen, dem bzw. den Einbettungsmitteln die Benetzungsfähigkeit steigernde Stoffe
beizumischen.
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Hinsichtlich von Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens nach
der Erfindung wird besonderer Wert gelegt auf die Kombination der Anordnung nach
Fig. 3 mit der technischen Interferometeranordnung nach L in n i k (vgl. den Aufsatz
von A. Kohaut, Zeitschrift für Angewandte Physik, 1, 1948/49, S. 165 bis 173). Es
genügt dazu, an dieser eine Aufnahmeeinrichtung für die Anordnung nach Fig. 3 vorzusehen.
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Im einzelnen ist es wichtig, die Interferenzstreifen in bezug auf
eine auf der zu untersuchenden Oberfläche z. B. durch Bearbeitungsriefen gegebene
ausgezeichnete Richtung beliebig orientieren zu können, da, wenn die Interferenzstreifen
schräg zu den Riefen laufen, dies abgesehen von anderen Nachteilen eine Maßstabsänderung
bedeutet. Dazu wird die erwähnte Aufnahmeeinrichtung mit einer Verstelleinrichtung
versehen, so daß die Planplatten beliebig und in beliebiger Richtung gegeneinandergeneigt
werden können. Die Aufnahmeeinrichtung weist hierfür ein mit einer Lichtdurchtrittsöffnung
versehenes Widerlager auf, das mit Hilfe von Stellschrauben und Abdrückfedern an
die eine der Planplatten angelegt und gegenüber dem die andere Plauplatte tragenden
Auflager nach allen Richtungen geneigt werden kann.