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Interferenzmikroskop, das insbesondere zur Ausführung von Tiefenmessungen
an Unregelmäßigkeiten glatter Oberflächen bestimmt ist
Es ist ein Interferenzmikroskop
bekanntgeworden, das insbesondere zur Ausführung von Tiefenmessungen an Unregelmäßigkeiten
glatter Oberflächen Verwendung gefunden hat, z. B. zum Ausmessen der Tiefe feinster
Schleifrisse an polierten Oberflächen. Dieses Mikroskop enthält ein Beleuchtungssystem
und zwei untereinander gleiche Objektive, deren Achsen sich in einem zwischen den
beiden Objektiven und dem Okular liegenden Punkt der Mikroskopachse schneiden und
von denen das eine zum Betrachten des Objekts und das andere zum Betrachten einer
Vergleichsspiegelfläche dient, wobei mit Hilfe des Beleuchtungssystems und einer
im Schnittpunkt der Obj ektivachsen angeordneten halbdurchlässigen Spiegelfläche
Licht von ein und derselben Licht quelle durch die Objektive hindurch, die symmetrisch
zur halbdurchlässigen Spiegelfläche liegen, einerseits dem zu betrachtenden Objekt
und anderseits der Vergleichsspiegelfläche zugeführt wird.
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Das vom Objekt und das vom Vergleichsspiegel zurückgeworfene Licht
gelangt über die halbdurchlässige Spiegelfläche in die Bildebene des Mikroskops,
in der das Bild des zu betrachtenden Objekts entsteht und in der die beiden Strahlenbündel
miteinander vereinigt werden. Bei entsprechender Justierung des Mikroskops entstehen
durch die Vereinigung beider Strahlenbündel Interferenzstreifen, die einen Schluß
auf die Größe der Tiefenabweichung einzelner im Bild hervortretender Oberflächenteile
des betrachteten Objekts von den ihnen benachbarten Teilen der Oberfläche ge-
statten.
Es entsteht z. B. ein Bild, wie es in Abb. I der Zeichnung dargestellt ist. Im Gesichtsfeld
sind bei Anwendung monochromatischen Lichtes eine Anzahl heller und dunkler Streifen
a bzw. b sichtbar, wobei die Streifenteilung t einer Weglängendifferenz der miteinander
interferierenden Strahlen von 1-/2 entspricht, wenn mit Ä die Wellenlänge des von
der Lichtquelle ausgehenden Lichtes bezeichnet wird. Außerdem werden im Bild noch
Unregelmäßigkeiten, z. B. Furchen oder Kratzer, in der Oberfläche des betrachteten
Objekts sichtbar, die sich z.B. als Fransen 56 oder als andere Unregelmäßigkeiten
an den Interferenzstreifen bemerkbar machen.
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Zur Erzielung der Interferenzstreifen, also eines gewissen Gangunterschiedes
der beiden reflektierten Lichtbündel, und zur Einstellung der gewünschten Breite
der Streifen hat man bei den bekannten Geräten der in Rede stehenden Art den Objekttisch
um eine senkrecht zur Achse des benachbarten Objektivs stehende Achse neigbar gemacht.
Diese Art der Einstellung hat sich jedoch im praktischen Gebrauch der Geräte nicht
als vorteilhaft erwiesen, da durch die Neigung des Objekttisches ein Auswandern
der betrachteten Oberfläche aus der Objektebene erfolgt, worunter nicht nur- die
Schärfe der Interferenzstreifen, sondern auch die Schärfe der Abbildung des Objekts
leidet. Außerdem hängt bei einer Neigung des Objekts die Zahl der gleiche zeitig
scharf sichtbar zu erhaltenden Interferenzstreifen in ungünstiger Weise von der
Größe der Apertur des verwendeten Mikroskopobjektivs ab, so daß bei Verwendung größerer
Aperturen nur wenige Streifen gleichzeitig sichtbar gemacht werden können.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, stattet man das Mikroskop gemäß
der Erfindung mit einer Einrichtung aus, durch die das eine der beiden Objektive
und der auf dasselbe auffallende Teil des Beleuchtungsstrahlenbündels relativ zueinander
bewegt werden können, und zwar so, daß dabei der Abstand des Objektivs von einer
Ebene, die in bezug auf die Ebene der halbdurchlässigen Spiegelfläche symmetrisch
zur Objektebene des anderen Objektivs ist, nicht geändert wird. Man kann dann die
zur Erzielung der Interferenzstreifen erforderlichen Differenzen der Lichtwege auf
den beiden Objektivseiten durch die Relativbewegung zwischen dem Beleuchtungsstrahlenbündel
und dem einen der Objektive herbeiführen und auf die Neigung des Objekttisches zur
Erzeugung der Streifen und ihrer Breitenregelung verzichten. Bewegt man dabei das
eine der Objektive selbst, so ist die Lage und die Gestalt des auf das bewegliche
Objektiv auffallenden Strahlenbündels durch die Lage und die Blenden des anderen,
festen Objektivs bestimmt.
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Zweckmäßig wählt man einen Aufbau der Einrichtung, bei dem bei der
gegenseitigen Bewegung des einen der Objektive und des auf dasselbe auffallenden
Teils des Beleuchtungsstrahlenbündels die Achse des Objektivs und derjenige Strahl
des Bündels, der dem Achsenstrahl auf der Seite des anderen Objektivs entspricht,
parallel zu einer Geraden bleiben, die in bezug auf die Ebene der halbdurchlässigen
Spiegelfläche symmetrisch zum Achsenstrahl des Beleuchtungsstrahlenbündels auf der
Seite des anderen Objektivs verläuft.
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Zur Durchführung der erwähnten Relativbewegung könnte man beispielsweise
zwischen dem einen der Objektive und der halbdurchlässigen Spiegelfläche ein Drehkeilpaar
anordnen, dessen beide Keile zu gegenläufiger Drehung um die Achse dieses Objektivs,
das man dann fest anordnen wird, miteinander gekuppelt sind, wobei eine Neigungsänderung
des Achsenstrahls des Beleuchtungsstrahlenbündels gegenüber der Achse des Objektivs
erfolgt.
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Eine im Aufbau einfachere und in bezug auf chromatische Abweichungen
bei Verwendung weißen Lichtes günstigere Einrichtung erhält man jedoch, wenn man
bei feststehender Anordnug beider Objektive zwischen dem einen der Objektive und
der halbdurchlässigen Spiegelfläche eine Planparallelplatte einschaltet, die um
eine senkrecht zur Achse des zugehörigen Objektivs stehende Achse kippbar ist. Bei
einer Kippung der Platte tritt dann nur eine Parallelverschiebung desjenigen Strahls,
der dem Achsenstrahl auf der Seite des anderen Objektivs entspricht, ein.
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Vollständige Achromasie, die auch bei Einstellung der Streifenbreite
nicht gestört wird, erhält man, wenn man das eine der beiden Objektive selbst senkrecht
zu seiner optischen Achse verschiebbar anordnet. Eine solche Einrichtung wendet
man insbesondere dann mit Vorteil an, wenn man die Untersuchungen sowohl mit einfarbigem
als auch mit weißem Licht durchführen und zu diesem Zweck eine Umschaltbarkeit des
Mikroskops auf beide Beleuchtungsarten vorsehen will.
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Will man mit der der Erfindung entsprechenden Einrichtung nicht nur
Interferenzstreifen erzeugen und deren Breite regeln können, sondern auch die Lage
der Streifen innerhalb des Gesichtsfeldes ändern können, so empfiehlt es sich, die
Einrichtung, die zur Herbeiführung der Relativbewegung zwischen dem einen der Objektive
und dem zugehörigen Strahlenbündel liegt, um eine Gerade als Achse drehbar zu machen,
die in bezug auf die Ebene der halbdurchlässigen Spiegelfläche symmetrisch zum Achsenstrahl
auf der Seite des anderen Objektivs liegt, und die Anordnung so zu treffen, daß
sowohl zur Herbeiführung der genannten Relativbewegung als auch zur Drehung der
Einrichtung um die erwähnte Achse ein und dieselbe Handhabe dient.
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Um bei den Mikroskopen der vorliegenden Art vor der betriebsmäßigen
Einstellung der Interferenzstreifen und deren Breite das Gerät auch bequem auf den
Gangunterschied Null justieren zu können, d. h. die Teilstrahlengänge von der halbdurchlässigen
Spiegelfläche bis zum Objekt einerseits und zur Vergleichsspiegelfläche anderseits
und zurück in völlige Übereinstimmung miteinander bringen zu können, läßt man zweckmäßigerweise
die halbdurchlässige Spiegelfläche des Mikroskops von der Diagonalfläche eines geteilten
Glaswürfels bilden, bildet diejenige Grenzfläche des Glaswürfels,
die
dem zur Betrachtung des Objekts dienenden Objektiv zugekehrt ist, schräg liegend
zur Achse dieses Objektivs aus und ordnet gegenüber dieser Fläche einen Glaskeil
an, dessen dem Glaswürfel zugekehrte Grenzfläche parallel der ihr benachbarten Grenzfläche
des Würfels ist und der in der Richtung seiner Hauptschnittebene verschiebbar ist.
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Im Strahlengang des Beleuchtungssystems der bekannten Mikroskope
der vorliegenden Art befindet sich eine Blende, die über das Objekt und die Vergleichsspiegelfläche
in die Bildebene des Mikroskopokulars abgebildet wird, also als Leuchtfeldblende
wirkt. Macht man den Durchmesser dieser Blende etwas kleiner als den Durchmesser
der in die Blendenebene rückwärts abgebildeten Gesichtsfeldblende des Okulars, so
ergibt sich eine wesentliche Erleichterung in der Handhabung der der Erfindung entsprechenden
Mikroskope. Es gibt dann nämlich die Schärfe, mit der die Blende im Okular sichtbar
wird, einen Anhalt für die richtige Einstellung der Bildschärfe der Betrachtungseinrichtung
auf das Objekt, die ohne diese Hilfseinrichtung bei spiegelnden Objekten mit großer
Oberflächengüte nur schwer erkannt werden kann.
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Um bei der Scharfeinstellung auf das Objekt eine Störung durch die
von der Vergleichsspiegelfläche reflektierten Strahlen zu vermeiden, ist es ferner
zweckmäßig, zwischen der halbdurchlässigen Spiegelfläche des Mikroskops und dem
zum Betrachten der Vergleichsspiegelfläche dienenden Objektiv eine umschaltbare
Blende anzuordnen, die in der einen Endstellung das nach diesem Objektiv zielende
Strahlenbündel absperrt und in der anderen Endstellung den Weg für dieses Strahlenbündel
freigibt.
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In der Zeichnung ist beispielsweise in den Abb. 2 und 3 ein der Erfindung
entsprechend ausgestaltetes Interferenzmikroskop teilweise im Schnitt und teilweise
in Ansicht wiedergegeben, während die Abb. 4 und 5 Abänderungen dieses Mikroskops
im Schnitt wiedergeben.
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Das in den Abb. 2 und 3 dargestellte Mikroskop, dessen Tubus c mit
einer Schelle c1 an einem in der Zeichnung nicht wiedergegebenen Gestell der Höhe
nach einstellbar befestigt ist, ist mit einer monochromatischen Lichtquelle, und
zwar mit einer Thalliumdampflampe d, ausgestattet. Ein zweiteiliger Kondensor e
bildet die Lichtquelle in die Ebene einer Blende f ab, vor der sich eine Mattscheibe
f befindet. Die Blende f steht in der Brennebene eines Achromates g. Die von einem
Punkt der Blendenebene ausgehenden Lichtstrahlen werden also parallel gerichtet.
Sie treffen auf eine halbdurchlässige Spiegelfläche 11 auf, die von der Diagonalfläche
eines aus zwei Teilen hj und 112 bestehenden Glaswürfels gebildet wird. An der Spiegelfläche
h wird das Beleuchtungsstrahlenbündel in zwei Teile zerlegt, von denen der eine
einem Objektiv i1 zugeleitet wird, das zum Betrachten des zu untersuchenden Objekts
dient, das in der Zeichnung gestrichelt angedeutet und mit ilL bezeichnet ist, und
von denen der andere einem zweiten Objektiv i2 zugeleitet wird, das zum Betrachten
einer Vergleichsspiegelfläche i2 dient.
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Die beiden Objektive ij und i2 sind in ihrem optischen Aufbau einander
gleich und befinden sich in gleichem Abstand von der Spiegelfläche h. Das an der
Vergleichsspiegelfläche i2 und das an der spiegelnden Oberfläche des Objekts 11
reflektierte Licht geht durch die Objektive i1 und i2 zurück zu der halbdurchlässigen
Spiegelfläche h. Hier wird der von der Fläche i2 kommende Teil um go0 abgelenkt,
und der vom Objekt in kommende Teil tritt in gerader Richtung durch die Spiegelfläche
hindurch.
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Beide Strahlenanteile werden durch ein achromatisches System k in
dessen Brennebene vereinigt, in der ein Bild des Objekts il entsteht, das mit einem
Okular I betrachtet wird. Das Objektiv i2 ist in einem Körper rn befestigt, der
in Schlittenführungen Snl, m2, m3 und 1114 senkrecht zum Achsenstrahl des Beleuchtungsstrahlenbündels
verschiebbar angeordnet ist. Zur Einstellung des Körpers m und damit des Objektivs
i2 gegenüber dem Achsenstrahl des Beleuchtungsstrahlenbündels dient ein Stift tt5,
der sich einerseits gegen den Körper rn und anderseits gegen eine Rändelmutter m6
legt, die auf einem hohlen Gewindebolzen m7 verstellbar ist, der seinerseits mit
einem die Schlittenführungen rn1, m3 3 und xn4 tragenden Zylinder sn8 fest verschraubt
ist.
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Eine auf der anderen Seite des Körpers m angeordnete Schraubenfeder
m9 drückt den Körper mG gegen den Stift m5. Der Zylinder m5 ist in dem Gehäuse des
Geräts, das mit m10 bezeichnet ist, drehbar gelagert. Durch eine Aussparung snll
in diesem Gehäuse ist dafür gesorgt, daß die Drehung des Zylinders um seine Achse
durch den Gewindebolzen n7 nicht gehindert wird. Zwischen dem Objektiv i2 und der
halbdurchlässigen Spiegelfläche 11 ist eine Scheibenblende n angeordnet, die im
Gehäuse des Mikroskops mit einem Zapfen 111 drehbar ist und mit Hilfe eines Rändelknopfes
n2 von außen in zwei verschiedene Endstellungen gebracht werden kann, in deren einer,
der ausgezogen gezeichneten Stellung s!ie die Beleuchtungsstrahlen zum Objektiv
i2 gelangen läßt und in deren anderer, der punktiert gezeichneten Stellung sie die
Lichtstrahlen absperrt. Um das Mikroskop auf völlige Gleichheit der Luftwege zwischen
dem Schnittpunkt der Objektivachsen und der Objektebene einerseits sowie der Ebene
des Vergleichsspiegels i2 anderseits justieren zu können, ist zwischen die Fassung
des Objektivs il und das Gehäuse des Mikroskops eine Abstimmscheibe o eingeschaltet,
die je nach Erfordernis von größerer oder geringerer Dicke gewählt werden kann.
Um etwaige geringe Ungleichheiten der Glaswege auf den beiden Objektivseiten ausgleichen
zu können, ist die dem Objektiv il zugekehrte Seite des Teils 2 des Glaswurfels
schräg abgeschnitten (vgl. Abb. 3) und der schrägen Grenzfläche des Würfels gegenüber
ein Glaskeil ol angeordnet, dessen dem Glaswürfel zugekehrte Grenzfläche parallel
der schrägen Grenzfläche des Würfels ist. Mit Hilfe zweier Schrauben °2 und o, ist
der Glaskeil in der Richtung seiner Hauptschnittebene senkrecht zur optischen Achse
verschiebbar.
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Das Arbeiten mit dem Gerät geschieht in folgender Weise, wobei vorausgesetzt
wird, daß das Gerät durch Einlegen einer entsprechenden Scheibe o und
durch
Einstellen der Schrauben °2 und 03 auf den Gangunterschied Null justiert ist.
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Zunächst wird die Blende n in die punktiert gezeichnete Stellung
geklappt und die Blende t scharf in die Brennebene des Objektivs'1 abgebildet, was
durch eine Verstellung des Mikroskoptubus der Höhe nach unter Beobachtung des Blendenbildes
im Okular I erfolgt. Dann wird die Blende n aus dem Strahlengang herausgeklappt,
d. h. in die in Abb. 2 ausgezogen gezeichnete Stellung gebracht. Durch Verstellen
des Stiftes çnS mit Hilfe der Mutter 1116 wird hierauf die gewünschte Breite der
Interferenzstreifen eingestellt und ihnen die gewünschte Richtung innerhalb des
Gesichtsfeldes gegeben, was durch Drehen des Zylinders ms um seine Achse möglich
ist. Als Handhabe dient bei dieser letzteren Drehung ebenfalls die Rändelmutter
sn6.
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Bei der abgeänderten Ausbildung des Geräts nach Abb. 4 ist das Objektiv'2
fest in einen Zylinder P1 eingeschraubt, der innerhalb eines Gehäuses p um die Zylinderachse
drehbar angeordnet ist. Zur Herbeiführung des zur Erzielung der Interferenzstreifen
notwendigen Gangunters chiedes dient hier eine Planparallelplatte P2, die zwischen
der halbdurchlässigen Spiegelfläche h (s. Abb. 2) und dem Objektiv i2 angeordnet
ist. Die Platte p2 ist in einer Fassung p3 befestigt, die innerhalb des Zylinders
P1 zwischen zwei Zapfen p4 und p6 um eine senkrecht zur Achse des Objektivs'2 stehende
Achse drehbar gelagert ist. Die Fassung p3 trägt einen Arm p6.
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Dieser ist am Ende mit einer schlitzförmigen Aussparung P7 versehen,
und in diese Aussparung greift ein Stift P8 ein, der exzentrisch an einer an einem
drehbar gelagerten Zapfen pg angeordneten ScheibeplO befestigt ist, so daß durch
eine Drehung des Zapfens p9 um seine Achse der Arm P6 geschwenkt und damit die Platte
P2 zwischen den Zapfen p4 und p5 gedreht werden kann, wodurch der Achsenstrahl des
das Objektive durchsetzenden Beleuchtungsstrahlenbündels gegenüber der Objektivachse
parallel versetzt wird. Zur Durchführung der Drehung des Zapfens p9J der in einer
in den Zylinder P1 eingeschraubten Hülsen,, gelagert ist, ist an dem Zapfen außerhalb
des Gehäuses ein Rändelknopf P12 befestigt, der zugleich als Handhabe für eine Drehung
des Zylinders P1 mit der Planparallelplatte P2 um dessen Achse dient. Durch diese
Drehung wird wieder die gewünschte Richtung der Interferenzstreifen im Gesichtsfeld
des Mikroskops herbeigeführt.
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Bei der in Abb. 5 dargestellten abgeänderten Form des Mikroskops
ist wieder wie vorher das Objektiv'2 fest angeordnet. Zwischen diesem Objektiv und
der halbdurchlässigen Spiegelfläche h (Abb. 2) ist hier ein Drehkeilpaar mit zwei
Glaskeilen q1 und q2 angeordnet, die über Kegelräder q5 und q4 in gegenläufigem
Sinn von einem Trieb q5 aus drehbar sind. Das Drehkeilpaar mit seinen Antriebsteilen
ist in einem Zylinder q6 gelagert, der seinerseits in dem das Ganze umschließenden
Gehäuse, das hier mit q7 bezeichnet ist, um die Zylinderachse drehbar ist. Sowohl
die Drehung der Keile q1 und q2 gegeneinander als auch die Drehung des Zylinders
q6 um seine Achse geschehen auch hier wieder von einer einzigen Ilandhabe, nämlich
dem Antriebsknopf q5 aus. Durch die Drehung der Glaskeile q1 und q2 gegeneinander
wird die Breite der Interferenzstreifen und durch die Drehung um die Achse des Zylinders
q6 die Lage der Streifen im Gesichtsfeld verändert.