DE1447253B2

DE1447253B2 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen interferometriscverfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen interferometrisc

Info

Publication number: DE1447253B2
Application number: DE19641447253
Authority: DE
Inventors: Philipp Alexander Gren don Farms WiI Flouenoy (V St A )
Original assignee: E I du Pont de Nemours and Co , Wilmington, Del (VStA)
Priority date: 1963-08-27
Filing date: 1964-08-27
Publication date: 1972-04-06
Also published as: LU46837A1; GB1024598A; DE1447253A1; US3319515A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur kontinuierlichen interferometrischen Messung · von Dicke oder Brechungsindex eines laufenden, durchsichtigen Films, bei dem auf den Film ein Weißlichtbündel gerichtet wird und die an der Vorderseite und an der Rückseite des Films reflektierten, einen Gangunterschied aufweisenden Lichtbündel nach Verändern ihres Gangunterschiedes zur Interferenz gebracht werden und die zum Erzeugen einer weißen Interferenzverstärkung erforderliche Veränderung des Gangunterschiedes gemessen wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

üblicherweise wird bei interferometrischen Untersuchungen eine Probe mit monochromatischem Licht bestrahlt, wobei eine sich in einem Interferenzstreifen äußernde Interferenzverstärkung bekanntlich bei interferometrischer überlagerung von zwei Wellenzügen gleicher Wellenlänge mit einem Gangunterschied eines doppelten ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge erfolgt. Nun liegt die Wellenlänge eines monochromatischen Anteils sichtbaren Lichtes etwa zwischen 4000 und 7500 Ä. Typische Filmdicken liegen jedoch im Bereich von etwa 50 μ. Eine solche Filmdicke ist also etwa lOOmal größer als eine charakteristische Wellenlänge sichtbaren Lichtes.

Bei interferometrischen Längenmessungen unter Verhältnissen, wie sie bei normalen Filmdickenmessungen vorliegen, ist also bei Bestrahlung der Probe mit monochromatischem Licht zur Auswertung des Meßergebnisses ein Auszählen von sehr vielen Interferenzstreifen, und zwar in der Größenordnung hundert Interferenzstreifen, erforderlich, was recht mühsam ist. Längenmessungen mit monochromatischem Licht eignen sich daher in erster Linie nur unter solchen Verhältnissen, bei denen die Wellenlänge der Filmdicke vergleichbar ist, oder natürlich dann, wenn man Wellenlängenmessungen vornehmen will.

Die deutsche Patentschrift 930 589, die britische Patentschrift 595 940 und die deutsche Auslegeschrift 1090 881 betreffen derartige Untersuchungen mit monochromatischem Licht, wobei jeweils die genannte Schwierigkeit auftaucht, eine größere Anzahl von Interferenzstreifen auszuwerten. Von solchen Untersuchungen sind folgende Verfahrensmerkmale bereits in verschiedenem Zusammenhang bekannt; Peri-

3 4

odisches Verschieben einer die Phasenlage eines inter- Lichtstrahlenbündel zugeordnet und Dickenmessun-

ferometrisch untersuchten Wellenzuges bestimmen- gen durch Feststellung der Lage eines Interferenz-

den Interferometerfläche, Auswerten eines Interferenz- Verstärkungsstreifens gegenüber einer Skala vorge-

bildes durch Empfangen des Bildes in einer lichtelek- nommen.

irischen Detektorvorrichtung sowie Auswerten von 5 Dabei wird allgemein eine größere Anzahl von Abständen des erzeugten optischen Bildes durch optischen Keilen bereitgehalten, da mit einem einMessung des Zeitabstandes zwischen einem einer zigen optischen Keil nur ein geringer Meßbereich optischen Verstärkung zugeordneten elektrischen Aus- erfaßt werden kann. Es ist bekannt, eine Meßbereichsgangssignal der Detektorvorrichtung und einer Zeit- erweiterung eines einzelnen optischen Keils dadurch marke. Trotzdem haben sich, wie gesagt, derartige 10 zu erreichen, daß man die Winkelanordnung des Vorrichtungen, bei denen ein Film mit monochro- Keils gegenüber dem Film ändert und gegebenenfalls matischem Licht bestrahlt wird, wegen der Vielzahl weiterhin noch einen Spiegel vorsieht. Dieser Spiegel der auftretenden Interferenzmaxima nicht bewährt. wird bei einer Ausfuhrungsform von Hand verstellt, Man hat lediglich versucht, die beim Auszählen der bis Interferenzverstärkung sichtbar wird. Die Film-Streifen auftretenden Schwierigkeiten durch Hilfs- 15 dicke ist dann an einer mit dem Spiegel verbundenen, maßnahmen zu verringern, z. B. durch Verwendung entsprechend geeichten Skala ablesbar,
eines in den Strahlengang eingeschalteten und hin- Mit diesen bekannten Anordnungen kann man und herbewegten Rasters mit Rasterabstand der bereits Filmdicke- oder Filmbrechungsindexmessunmonochromatischen Wellenlänge (britische Patent- gen durchführen, die nach Angaben in der erstgenannschrift 595 940) oder eines entsprechenden anderen, 20 ten Patentschrift von Flattererscheinungen des Filmes im Strahlengang bewegten Gitters (deutsches Patent nur wenig beeinflußt sind. Die Einjustierung und die 930 589). Ungeeignet für kontinuierliche Filmdicke- Bedienung einer solchen Anordnung erfordert jedoch messungen eines laufenden Films sind solche bekann- hohes fachmännisches Können. Die Auswertung des ten Anordnungen, bei denen die zur Auswertung Interferenzstreifenbildes erfolgt nämlich visuell, was vorgesehene interferometrische Vorrichtung starr mit 25 ziemlich schwierig und, wenn nicht große Sorgfalt der Untersuchungsprobe verbunden ist (deutsche auf die Messung verwandt wird, recht ungenau ist. Auslegeschrift 1 090 881). Entsprechend erfordert jede Messung relativ viel

Bei interferometrischen Untersuchungen der ein- Zeit. Die bekannten Anordnungen eignen sich dabei

gangs genannten Art dagegen wird statt einer mono- höchstens für die stichprobenweise Ermittlung von

chromatischen Untersuchungslichtquelle eine weiße, 30 Meßwerten, keinesfalls aber für quasi-kontinuierlich

d. h. breitbandige Untersuchungslichtquelle, benutzt. durchzuführende Messungen, z. B. der Dicke eines

Es ist in der optischen interferometrischen Technik laufenden Filmes während der Produktion. Außerallgemein bekannt, daß derartige weiße Unter- dem ist bei den bekannten Anordnungen nicht vorsuchungslichtquellen nur dann einen »weißen« Inter- gesehen, das Meßergebnis in Form eines z. B. elekferenzverstärkungsstreifen ergeben, wenn die optische 35 trischen Signals darzustellen, welches dann für Regi-Wegdifferenz der interferometrisch verglichenen Licht- strier-, Steuer- oder Regelzwecke verwendet werden bündel gleich Null ist. Diese weiße Interferenzver- könnte.

Stärkung wird lediglich noch von einigen benach- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein harten farbigen Interferenzstreifen begleitet, während für die berührungsfreie Messung der Filmdicke oder sich alle weiteren Interferenzverstärkungen der mono- 4° des Brechungsindexes geeignetes Verfahren der einchromatischen Anteile des breitbandigen Unter- gangs genannten Art so zu gestalten, daß eine selbstsuchungslichtbündels insbesondere im Abstand von tätige und fortlaufende Messung ohne das ständige der einzigen weißen Interferenzverstärkung so über- Eingreifen einer Bedienungsperson stattfinden kann lagern, daß sie nicht mehr in Erscheinung treten und daß gegebenenfalls eine Registrierung oder andere (siehe z. B. »Fundamental of Optics« von Jenkins 45 Auswertung der Meßergebnisse möglich ist.
und White, McGraw-Hill Book Company, Inc., Zum Lösen dieser Aufgabe ist unter Verwendung 1957, S. 250, und »Modern Interferometers« von zum Teil bekannter Verfahrenselemente vorgesehen, C. Candler, Hilger & Watts, Ltd., 1951, S. 223 daß der Gangunterschied periodisch verändert und bis 225, insbesondere S. 223, Satz 1). Derartige breit- mit gleicher Periode eine Zeitmarke erzeugt wird, bandige »weiße« Untersuchungslichtbündel eignen 50 daß die gemeinsame Intensität der interferierenden sich daher zur interferometrischen Untersuchung von Lichtbündel auf an sich bekanntem, photoelektrischem Proben mit wesentlich größeren Abmessungen als Wege als elektrisches Signal dargestellt wird und daß eine typische Untersuchungslichtwellenlänge. Trotz- der Zeitabstand zwischen der periodischen Zeitmarke dem ist eine optische Auswertung auch derartiger, und jedem Auftreten eines der weißen Interferenzvon einer breitbandigen »weißen« Untersuchungs- 55 verstärkung entsprechenden Signals gemessen wird, lichtquelle gewonnener Interferenzstreifenbilder rela- Das Verfahren gemäß der Erfindung erfordert tiv schwierig, unter anderem wegen der farbigen weder besonderes fachmännisches Können der die Nebenmaxima. Messungen auswertenden Person noch treten Schwie-

Ein mit weißem Licht arbeitendes Verfahren zur rigkeiten durch die optische Auswertung, z. B. durch

Filmdickenmessung ist aus den USA.-Patenten 60 das Vorhandensein der farbigen Nebenmaxima, auf,

2 518 647, 2 578 859 und 2 655 073 bekannt. Der da man elektrisch die Interferenzverstärkungen leicht

Film wird dabei unter einem schrägen Einfallwinkel einwandfrei ermitteln kann. Vorzugsweise werden zur

bestrahlt, und die an Vorder- und Rückseite des Films Messung erfindungsgemäß diejenigen Intensitätssi-

reflektierten Lichtbündel werden auf einen optischen gnale unterdrückt, die unter dem Pegel der den weißen

Keil geleitet. Das auftretende Interferenzbild wird ⁶5 Interferenzverstärkungen entsprechenden elektrischen

visuell untersucht. Dabei werden Interferenzverstär- Signale liegen.

kungsstreifen der optischen Wegdifferenz der beiden Bei dem Verfahren der eingangs genannten Art mit

an Vorder- und Rückseite des Films reflektierten Verwendung optischer Keile ist es bereits bekannt,

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die beiden an der Vorderseite und an der Rückseite F i g. 2 zeigt eine Darstellung eines Michelsondes Films reflektierten Lichtbündel jeweils in zwei Interferometers mit hin- und herbewegbarem Reflekweiße Teilbündel zu zerlegen. Hierzu wird nach der tor, das zum Gewinnen von Interferenzmarken VerErfindung ein Interferometer von Michelson-Typ wendung finden kann, wie sie beim Messen der Filmverwendet und der Zeitabstand zwischen der Zeit- 5 dicke verwendet werden;

marke und jedem Auftreten eines Signals gemessen, F i g. 3 zeigt ein mit gleich langen interferomedas einem der beiden Interferenzverstärkungen ent- trischen Armen in der Vorrichtung der F i g. 1 und 2 spricht, die von je einem Teilbündel des einen Licht- gewonnenes typisches Interferogramm zu beiden Seibündels und je einem Teilbündel des anderen Licht- ten der zentralen weißen Interferenzverstärkung mit bündeis erzeugt werden. Bei der Form des Verfahrens io überlagerung des Raum-Zeit-Verlaufs der Verschieist es möglich, mit nahezu normalem Lichteinfall bungsbewegung des hin- und herbewegbaren Spiegels; auf dem Film zu arbeiten. Meßfehler auf Grund von Fig. 4 zeigt eine Darstellung des zeitlichen Ver-Flattererscheinungen des Films sind dann praktisch laufs der Bewegung des hin- und herbewegbaren ausgeschlossen. Spiegels der interferometrischen Vorrichtung der

Darüber hinaus kann bei Benutzung von vier Teil- 15 F i g. 2 in einem Längenmaßstab, welcher der Ändebündeln in vorteilhafter Weise als Zeitmarke das der rung der optischen Wegdifferenz während der Spiegelanderen der beiden Interferenzverstärkungen entspre- bewegung des Interferometers entspricht, wobei die chende Signal verwendet werden. Möglich ist auch, maximale Wegstrecke etwas größer als die zu messende daß als Zeitmarke ein Signal verwendet wird, das Filmdicke ist;

einer gleichzeitigen Interferenzverstärkung · sowohl 20 F i g. 5 zeigt eine Darstellung einer zweiten Aus-

der Teilbündel des einen Lichtbündels einerseits und führungsform einer Vorrichtung zur Messung am

der Teilbündel des anderen Lichtbändels anderer- laufenden Film;

seits entspricht. Hierbei tritt die Zeitmarke genau F i g. 6 zeigt eine Meßvorrichtung für Dickenab-

dann auf, wenn die beiden optischen Weglängen im weichungen eines Filmes von einer Solldicke;

Interferometer gleich sind. 25 F i g. 7 zeigt die Formen elektrischer Signale in

Wie gesagt, wird bei der Erfindung zur Unter- der Vorrichtung nach Fig. 6;

suchung eine breitbandige »weiße« Lichtquelle be- F i g. 8 ist eine Darstellung einer optischen Meßnutzt. Man kann jedoch eine monochromatische vorrichtung für den Brechungsindex;
Lichtquelle zusätzlich als Zeitbasiserzeuger verwen- F i g. 9 und 10 zeigen Interferogramme mit Interden. Die Zeitmessung kann in an sich bekannter 30 ferenzstreifen, wie sie die Vorrichtung gemäß F i g. 8 Weise durch Zählung kleiner Zeitintervalle mit an liefert,
sich bekannter Zähltechnik erfolgen. Gemäß F i g. 1 kann die Filmdicke eines frei

Zur Erzeugung der vier interferometrisch ver- laufenden Films mit reflektierter Strahlung ständig glichenen Teilbündel hat sich besonders ein an sich gemessen werden, indem eine geeignete Meßvorrichbekanntes Michelson-Interferometer bewährt, dessen 35 tung auf einer einzigen Seite des zu untersuchenden beweglicher Spiegel nach einer Sägezahnfunktion hin- Films angeordnet wird. Indessen ist auch eine Arbeitsund herbewegbar ist, wobei die flache Zahnflanke der weise mit durchgehender Strahlung möglich, wie es Bewegungsfunktion der Zeitmessung zugeordnet ist. im folgenden beschrieben ist.

Man kann jedoch, wenn man gemäß der der Der mit 10 bezeichnete Film kann mit einem Erfindung zugrunde liegenden Grundidee lediglich 4° schmalen Strahl einer analytischen Strahlung 15 abmit zwei interferometrisch überlagerten Lichtbündeln getastet werden, während er über die Führungsarbeitet, die von Vorder- und Rückseite des Films walzen 11 und 12 läuft. Typisch ist eine Filmgeschwinherstammen, so vorgehen, daß als interferometrisches digkeit von etwa 110 m/min, und für einen klaren Analysiergerät eine ebene lichtdurchlässige Platte Zellophanfilm mit einer Dicke im Bereich zwischen dient, die um eine zur Filmebene parallele Achse 45 0,0025 und 0,4 mm kann beispielsweise das Unterperiodisch drehbar ist, an deren dem Film züge- suchungslichtbündel eine »weiße« Strahlung im nahen wandten Seite eine Reflexion des an der Rückseite Infrarotbereich sein, d. h. im 1-3-Micron-Bereich. reflektierten Lichtbündels und an deren dem Film Interferenzen bei der Dickemessung, die durch abgewandten Seite eine Reflexion des an der Vor- Schwankungen der Filmbahn zustande kommen könnderseite des Films reflektierten Lichtbündels jeweils 5° ten, sind effektiv beseitigt, indem der Film mit dem an einer lichtreflektierenden Beschichtung erfolgt Untersuchungslichtbündel nahezu senkrecht zum Film und daß das Untersuchungslichtbündel unter einem abgetastet wird.

schrägen Winkel auf den Film auffällt. Als Zeitmarke Als Strahlungsquelle 16 kann eine weißglühende

kann dann irgendeine einer Phase der Plattenbewe- 35-Watt-Wolframdrahtlampe dienen, die durch eine

gung zugeordnete Zeitmarke dienen. Es ist auch mög- 55 nicht gezeigte 6-Volt-Gleichstromquelle betrieben

lieh, diese Zeitmarke so zu wählen, daß im wesent- wird. Die Quelle 16 ist innerhalb eines lichtdichten

liehen nur dann eine Zeitdifferenzanzeige auftritt, Gehäuses 17 angeordnet, das mit einer doppelkon-

wenn die Filmdicke oder der Brechungsindex des vexen Kondensorlinse 18 aus Glas und einer Blen-

untersuchten Films eine vorgegebene Toleranz über- denöffnung 20 versehen ist, so daß eine Abbildung

schreitet. 60 des heißen Drahtes der Lichtquelle 16 im Maßstab

Die Erfindung wird in folgenden an Hand schema- 1: 1 über das Prisma 19 auf die Filmebene projiziert

tischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbei- wird; die Strahlungsquelle 16 hat eine leuchtende

spielen näher erläutert. Fläche von etwa 65 χ 32 mm.

F i g. 1 zeigt eine Schemazeichnung einer Vor- Wie in der Teilfigur A im vergrößerten Maßstab

richtung zur Dickebestimmung eines laufenden Films, 65 dargestellt ist, trifft das einfallende Lichtbündel 15

bei der die Stelle des Auftreffens der Strahlung auf auf die frontseitige Oberfläche des Filmes 10, von

den Film vergrößert bei A im unteren Teil der Zeich- der ein Teil des Lichtbündels in Richtung R₁ reflek-

nung herausgezeichnet ist; tiert wird, während der Hauptanteil der Strahlung in

den Film eintritt und dabei eine Brechung erfährt. Dieses Teilstrahlenbündel trifft dann schließlich auf die hintere Oberfläche des Filmes 10, und ein Teil dieses Lichtbündels wird in Richtung zur Frontfläche reflektiert und verläßt diese Frontfläche schließlich entlang des Weges R₂. Die aus der Probe austretende Strahlung, und zwar beide auf den Wegen R₁ und R₂ austretende Teillichtbündel, ist gemeinsam mit 23 bezeichnet. Diese Strahlung trifft dann auf die andere Fläche des Prismas 19 und von dieser Fläche durch die Blendenöffnung 24 in die Eingangsöffnung 25 eines Interferometers 26.

Das Interferometer kann vom Michelson-Typ sein, wie es schematisch in F i g. 2 dargestellt ist, und zwar mit der Besonderheit, daß ein Spiegel 30 des Interferometers, der periodisch hin- und herbewegt wird, und zwar über einen im folgenden noch im einzelnen beschriebenen Bereich, während der andere Spiegel 31 ortsfest ist. Das Interferometer weist einen geeigneten halbdurchlässigen Strahlungsteiler 32 auf, für den in typischer Weise eine 6,3 mm dicke, halbdurchlässige Glasplatte verwendet werden kann, die an der Unterseite teilweise verspiegelt und mit einem Winkel von 45° zu den Spiegeln 30 und 31 angeordnet ist. Der Strahlungsteiler 32 erzeugt zwei Teilbündel annähernd gleicher Intensität, die zu dem Spiegel 30 bzw. 31 gerichtet sind, von denen sie zum Strahlungsteiler 32 zurückreflektiert werden, wie es mit den Pfeilköpfen angezeigt ist. Die Strahlen werden dann nahe benachbart nach außen auf einen photoelektrischen Detektor 33 geleitet, der in diesem Fall ein Detektor der Bleisulfidart ist. Das beschriebene Interferometer umfaßt einen Sägezahn-Oszillator 37 und einen dazugehörigen elektronischen Leistungsverstärker 38, der periodische Sägezahn-Spannungsimpulse zu einem elektro-dynamischen Schwingankermotor 39 liefert, um den Spiegel 30 mit einer Frequenz von 50 Hz hin- und herzubewegen.

Beim Betrieb werden die allgemeinen Prinzipien der Interferometrie in folgender Weise angewendet:

Die Phasendifferenz α, die bei Berücksichtigung beliebiger zweier Strahlenbündel der Wellenlänge λ gegeben ist, wenn die Bündel einen Beobachtungspunkt, beispielsweise den Detektor 33 erreichen, ist eine Funktion der optischen Wegdifferenz b und kann durch die Gleichung

a =

2nb

ausgedrückt werden.

Wenn die Strahlenbündel in Phase sind, existiert Interferenzverstärkung, die sich durch »Interferenzstreifen« hoher Intensität äußert, während sich zwei Strahlenbündel, die nicht in Phase sind, mehr oder weniger gegenseitig aufheben, je nach dem, inwieweit die Strahlen außer Phase sind.

Wenn in der Teilfigur A in F i g. 1 die einfallende Strahlung PQ auf den Film mit einem Winkel Θ auffällt, der genüber der Normalen gemessen wird, verläßt das zuerst reflektierte Lichtbündel R₁ die frontseitige Oberfläche des Films, während die verbleibende Strahlung in den Film der Dicke d entlang eines gegen die Normale um den Winkel f)_{ geneigten Weges zum Punkt S gelangt, der auf der rückwärtigen Fläche des Films H) liegt. Ein Teil dieser Strahlung wird zum Punkt T auf der frontseitigen Fläche des Films entlang dem gebrochenen VYVa 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 R₂ berechnet werden als

b — 2nd cos O₁

(siehe S. 262 in »Fundamentals of Optics« von Jenkins & White), woraus sich die optische Phasendifferenz unter Verwendung der in angepaßter Weise verwendeten Gleichung (1) ergibt als

a =

(2nd cos O₁).

Die Intensitäten J₁ der als Strahlenbündel R₁ und R₂ reflektierten Strahlung sind nahezu gleich, woraus sich die Intensität der als Ganzes betrachteten beiden Strahlen aus den Seiten 211 bis 213 der obengenannten Literaturstelle ergibt als

2 '

Wie man in F i g. 2 erkennt, werden die den Strahl 23 bildenden Bündel R₁ und R₂ in Teilbündel aufgeteilt, die einerseits zum festen Spiegel 31 und andererseits zum hin- und herbewegbaren Spiegel 30 reflektiert und von diesen Spiegeln wieder rückreflektiert werden, wodurch sich vier getrennte Wellenzüge bzw. Teilbündel innerhalb des Interferometers ergeben. Entsprechend den Grundsätzen der Interferometrie herrscht in dem Fall, wenn die Weglängen von der Strahlungsquelle zu den Spiegeln gleich sind, Interferenzverstärkung für alle Weglängen, d. h. »weiße« Interferenzverstärkung, zwischen dem ausfallenden reflektierten Licht der Spiegel. Die unter dieser Bedingung vorhandene weiße Interferenzverstärkung liegt dort, wo der Abstand des Spiegels 30 vom Lichtteiler 32 genau gleich dem Abstand des Spiegels 31 vom Lichtteiler 32 ist, oder mit anderen Worten, wo die Arme des Interferometers gleich sind, da der Punkt Q der Teilfigur A in F i g. 1 an der Frontseite des Films effektiv die gemeinsame Strahlungsquelle für die zwei Teilbündel des Lichtbündels R₁ ist, die dann miteinander eine weiße Interferenzverstärkung erfahren, während der Punkt S, über den Punkt T, eine andere gemeinsame Quelle für die zwei Teilbündel des Bündels R₂ ist, die dann auch eine weiße Interferenzverstärkung erfahren, die sich der R₁ -Interferenz überlagert. Das Ergebnis ist ein Interferenzstreifen, der maximale Strahlungsintensität besitzt und als zentrale Interferenzverstärkung deutlich durch den Zacken ρ des Interferogramms der F i g. 3 gezeigt ist. Bei einem Michelson-artigen Interferometer ergibt der zentrale Interferenzstreifen eine geeignete Zeitmarke, von der aus Zeitmessungen in der im folgenden beschriebenen Weise gemacht werden können; jedoch kann auch irgendeine andere in bezug auf die Spiegelstellung festgelegte Zeitmarke in entsprechender Weise praktisch verwendet werden.

Wird nun einer der Spiegel 30, 31 — im vorliegenden Fall der Spiegel 30 — relativ zum anderen Spiegel bewegt, so wird die Länge des Lichtweges für diejenigen Teilbündel der Lichtbündel R₁ und R₂, die den Weg über den Spiegel 30 nehmen, vergrößert oder verkleinert, d. h.. es wird eine optische Wegdifferenz r zwischen diesen Teilbündeln und den verbleibenden zwei Teilbündeln eingeführt, deren Lichtweglänge nicht verändert wird. Da das Lichtbündel R₂, bedingt durch den Urn weg OST im Film, in

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ίο

bezug auf das Bündel R_x. bereits eine größere Weglänge zurückgelegt hat. ergeben sich neben der zentralen Interferenz zwei weitere interferenzmöglichkeiten zwischen jeweils zwei der vier Teilbündel. Wird der Spiegel 30 z. B. nach links bewegt, was einer Verkleinerung der Lichtweglänge entspricht, so wird bei einer Spiegelstellung, bei der die optische Wegdifferenz r der durch den Film eingeführten optischen Wegdifferenz b gleicht, die Wegdifferenz zwischen dem über den feststehenden Spiegel 31 geleiteten Teilbündel des Lichtbündels R₁ und dem über den verstellten Spiegel 30 geleiteten Teilbündel des Lichtbündels R₂ zu Null, was eine weiße Interferenzverstärkung zwischen diesen beiden Teilbündeln ergibt.

Der entstandene Seiten-Interferenzstreifen g_t hat, verglichen mit dem zentralen Interferenzstreifen p, verringerte Intensität, da ihm die überlagerte Interferenzverstärkung der verbleibenden zwei der im ganzen vier Teilbündel fehlt. Trotzdem hebt sich der Seiten-Interferenzstreifen klar vom angrenzenden Untergrund und anderen gelegentlichen, nicht deutbaren komplexen Teilinterferenzsignal-Niveaus ab. Da die Stellung des Spiegels, bei der der Interferenzstreifen Sf₁ auftritt, und damit auch unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Spiegelbewegung, die Zeit zwischen dem Auftreten der oben erläuterten Zeitmarke und dem Auftreten des Streifens ^f₁ von der optischen Wegdifferenz b und damit z. B. von der Filmdicke abhängt, ist ein zweiter zeitlicher Bezugspunkt geschaffen, auf den sich die Messung stützen kann.

Ein zweiter Seiten-Interferenzstreifen mit exakt derselben Amplitude wie g_{, nämlich g₂, wird an der entgegengesetzten Seite des zentralen Interferenz-Streifens ρ hervorgebracht, und zwar als Ergebnis einer nach rechts gerichteten Bewegung des Spiegels 30 gleicher Größe bezüglich des Strahlenteilers 32; denn die Weglänge des Teilstrahlenbündels R₁ zum Spiegel 30 ist dann schließlich so weit verlängert, bis sie der des R₂-Teilstrahlbündels gleichkommt, das vom Spiegel 31 rückreflektiert wird. Dieser dritte Interferenzstreifen bringt also einen anderen separaten zeitlichen Bezugspunkt hervor, und zwar entweder in Beziehung zum zentralen Interferenzstreifen p, zum Seiten-Interferenzstreifen g_x oder eben zu irgendeinem anderen in geeigneter Weise festgelegten Bezugspunkt, der eine Messung zuläßt.

Eine genaue Steuerung der Verschiebungsbewegung des Spiegels 30 ist natürlich notwendig, um eine genaue Zeitmessung zu erhalten; ein bequemer Antrieb ist der durch den Sägezahn-Oszillator 37 der F i g. 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 F i g. 3 überlagert gezeichnet ist. Dieser Linienzug ist für den Zweck dieser Beschreibung symmetrisch zum zentralen Interferenzstreifen ρ dargestellt, aber natürlich besteht ein großer Spielraum in dieser Hinsicht. Um die Zeitmessung von Intervallen , Ii zwischen dem zentralen Interferenzstreifen ρ und dem Seiten-Interferenzstreifen g₂ zu vereinfachen, wird vorzugsweise die Translationsgeschwindigkeit des Spiegels 30. d. h. der Anstieg des Linienzuges in, während seines Überstreichens über das korrespondierende Distanziiuervail konstant gehalten, so daß sich die kurzen Rückkehrperioden des Spiegels, die zu den Endlinien in' und m" gehören, mit Absicht jeweils links bzw. rechts an die Seiten-Interferenzstreifen ^₁ und g₂ anschließen. Quantitativ kann die Intensität der Strahlung If, die von dem photoelektrischen Detektor 33 empfangen wird, als Funktion der Änderung des optischen Weglängenunterschiedes r der Teilstrahlbündel ausgedrückt werden, und zwar als Produkt der Intensitätsverteilung vom Film und vom Interferometer mit Summierung über alle vorkommenden Frequenzen. und zwar durch die Gleichung

(r) = I₀ 2L ^c°s² sei cos² {π er),

wobei /₀, die Strahlung der Quelle, als konstant angenommen ist und c = — die Wellenzahl der verwendeten Strahlung ist. Eine Aufzeichnung der photoelektrisch aufgenommenen Strahlung in dem interessanten Bereich stellt das bereits besprochene Interferogramm der F i g. 3 dar.

Die Bewegung des Spiegels 30 um einen bestimmten Betrag bewirkt eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung der im Interferometer eingeführten optischen Wegdifferenz um den doppelten Betrag, da ein vom Strahlenteiler 32 ausgehendes Teilbündel den Weg zwischen dem Strahlenteiler und dem Spiegel zweimal durchläuft. Entsprechend ist es möglich, den Weg des Spiegels direkt in Einheiten der optischen Wegdifferenz r anzugeben, wie dies in F i g. 4 geschehen ist.

In dieser Figur ist, unter Berücksichtigung nur einer Hälfte des Spiegelweges, die Weglinie m schematisch zusammen mit den ihr zugeordneten Endabschnitten m' dargestellt und gibt die Beziehung zwischen der als Abszisse aufgetragenen Zeit zu 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 Maß, nicht mehr wie in F i g. 3 für die Translationsgeschwindigkeit des Spiegels, sondern für die Geschwindigkeit, mit der die optische Wegdifferenz im Interferometer während der Spiegelbewegung geändert wird.

Bezeichnet man mit T die Zeit, die erforderlich ist, den Spiegel aus seiner Null-Lage, d. h. der Lage, in der die Wegdifferenz r im Interferometer Null ist, bis zum Punkt seiner maximalen Auslenkung zu bewegen, und mit B die der maximalen Spiegelauslenkung entsprechende maximale optische Wegdiffe-

renz, dann ist der Quotient γ gleich der Steigung der Geraden m und damit gleich der Geschwindigkeit der Änderung der optischen Wegdifferenz. Die Größen B und T sind aus den Konstruktionsdaten des Spiegelantriebes ableitbar und für einen bestimmten Spiegelantrieb jeweils konstant.

Das verstrichene Zeitintervall At zwischen benachbarten weißen Interferenzstreifen ist die optische Wegdifferenz b im Film dividiert durch die Geschwin-

digkeit der Änderung der optischen Wegdifferenz γ, so daß man bei Substitution aus der Gleichung (1) erhält

Ir =

oder, wenn man die Größen umstellt, ergibt sich d, die Dicke des Films, als eine Funktion der verstriche-

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11 12

nen Zeit Ii zwischen den Interferenzstreifen entspre- signalisiert wird. Dieser elektrische Ausgangsimpuls

chend der Gleichung wird demzufolge zeitlich mit der zyklischen Bewegung

η / . f\ der Platte 42 synchronisiert.

d = —-—— . (6) Die zwischen den jeweils gewählten Zeitmarken

in cosfc/j 5 verstrichene Zeit kann man mit an sich bekannter

Dementsprechend gibt die Bestimmung der ver- Zeitmeßtechnik messen, indem man eine Vielzahl strichenen Zeit At ein direktes Maß der Filmdicke d, kleiner Zeitintervalle als Zeitbasis zugrunde legt und vorausgesetzt natürlich, daß die Bewegung des Spie- die Zahl der zwischen den Zeitmarken liegenden Zeitgels 30 wenigstens so groß ist wie der maximale Intervalle abzählt.

optische Weg im Film, falls nicht der Bezugspunkt io Die Zeitintervalle können mit einem Glocken-

in vorbestimmter Weise in einer Richtung verlegt impulsgenerator geschaffen werden, der in der zu

wird, bei der der analytische Abtastbereich verkürzt messenden Zeitdifferenz eine Vielzahl von Glocken-

wird. Letzteres wird im allgemeinen bevorzugt, da impulsen liefert, deren Anzahl zwischen den beiden

so die Zeiten des Zyklus entsprechend reduziert Zeitmarken mit üblichen Mitteln gezählt wird (vgl.

werden können und in einer gegebenen Zeitperiode 15 »Instruments and Control-System«, S. 125 bis 128,

eine größere Zahl von Dickemessungen vorgenommen September 1962, veröffentlicht durch »The Instru-

werden kann. ments Publishing Company«).

In F i g. 5 ist eine andere Art eines Interfero- Die Zeitintervalle können jedoch auch geschaffen meters dargestellt, die sich dazu eignet, nur einen werden, indem man der »weißen«, d. h. breitbaneinzelnen weißen Interferenzstreifen herzustellen. Hier 20 digen, Meßstrahlung eine monochromatische Strahwird der Film 10' durch die Eingangsstrahlung 15' lung mittels eines halbdurchlässigen Spiegels überabgetastet, die sowohl auf die frontseitige als auch lagert, so daß zwei unterschiedliche Eingangsstrahlenauf die rückseitige Oberfläche in derselben Weise wie bündel zum Interferometer gelangen. Typischerweise in Fig. 1 auffällt, wobei sie als Ausgangsstrahlung wird eine monochromatische Strahlung im sichtbaren in einem zuerst reflektierten Teilstrahlbündel 23' und 25 Lichtbereich mit Grünton mit einer Wellenlänge einem an zweiter Stelle reflektierten Teilstrahlbündel von etwa 5000 Ä verwendet. Im aufgenommenen 23" reflektiert wird, wie es schematisch gezeigt ist; Interferogramm überlagert sich dann dem Interferenzdiese beiden Teilstrahlbündel werden auf eine optische verstärkungsbild der breit bandigen Meßstrahlung mit Platte 42 mit ebenen Flächen geleitet. den als Zeitmarken verwendbaren weißen Interferenz-

Die Platte 42 ist mit einer ersten lichtreflektieren- 30 streifen ein Interferenzstreifenbild mit einer Vielzahl den Beschichtung, wie aufgedampftem Aluminium von Interferenzmaxima der monochromatischen oder ähnlichem Material, versehen, die sich nur über Strahlung, deren zwischen den Zeitmarken festgeeinen beschränkten Bereich der Frontfläche 43 und stellte Anzahl auf Grund der bekannten Frequenz nur quer zum Weg des Teilstrahlbündels 23" erstreckt; der monochromatischen Strahlung die zu messende ferner ist die Platte 42 mit einer zweiten lichtreflek- 35 Zeitdifferenz bestimmen läßt. Bei einem Film mit einer tierenden Beschichtung 44 über einen schmalen Be- Dicke von 0,25 mm erhält man beispielsweise zwireich auf der Rückseite der Platte versehen, die sich sehen dem als erste Zeitmarke dienenden zentralen nur quer zum Weg des Teilstrahlbündels 23' erstreckt. weißen Interferenzstreifen und einem der beiden Unter diesen Umständen werden die zwei Wellen- weißen Seiten-Interferenzstreifen, der als zweite Zeitzüge entlang Wegen umgelenkt, die sie auf einem 40 marke dient, ungefähr 760 Interferenzmaxima der Strahlungsdetektor 33' auftreffen lassen, der von der- als Zeitbasis dienenden monochromatischen Strahselben Art sein kann wie der früher beschriebene lung von 5000 Ä. Auch¹ hier kann man mit elektro-Detektor 33. nischen Impulsfiltern die Ausfällung der als Zeitbasis

Den Abtastvorschub der Platte 42 erhält man, dienenden Interferenzverstärkungen elektronisch vorindem man die Platte um einen Drehpunkt D so 45 nehmen und gegebenenfalls selbsttätig registrieren,
oszillieren läßt, daß die Länge des Wegs eines reflek- In manchen Fällen ist man nicht daran interessiert, tierten Teilstrahlbündels, in diesem Fall des Teil- ständig die Filmdicke selbst zu bestimmen, sondern Strahlbündels 23", festgehalten wird. Immer dann, man möchte lediglich feststellen, wann die Filmdicke wenn die Einfallswinkel der Strahlung auf den Film von vorgeschriebenen Sollwerten, gegebenenfalls mit und auf die Platten gleich sind und ebenfalls die 50 einer gewissen Toleranz, abweicht. Dann ist es voroptischen Wegdifferenzen BCH innerhalb des Films teilhaft, bei der Messung einen von der Sollfilmdicke 10' und BFG des Teilstrahlbündels 23' innerhalb abhängigen Nullordinatenabstand einzuführen.
der Platte 42 ebenfalls gleich sind, wie es periodisch Eine Möglichkeit einer solchen Meßmethode bewährend der zyklischen Oszillation der Platte 42 steht in der Unterdrückung des als eine Zeitmarke um den Drehpunkt D der Fall ist, erhält man einen 55 dienenden zentralen weißen Interferenzstreifens um weißen Interferenzstreifen. Die Anforderungen an einen bekannten festen vorgegebenen Wert und einer extreme Präzision bei der Spiegelanordnung an der entsprechenden Maßstabwahl im Bereich der variab-Platte 42 können übrigens, falls gewünscht, geringer len Zeitmarke. Eine andere Möglichkeit besteht in gehalten werden, indem man einfach die ganze Front- einer entsprechenden Verstellung des Interferometers. Spiegelfläche der Platte nur halb versilbert und die 60 indem man etwa bei einem Michelson-Interferometer ganze Rückfläche voll versilbert. entweder den Abstand des festen Spiegels zum halb-

AIs Bezugspunkt, der die andere der zwei Zeitinter- durchlässigen Eingangsspiegel verkürzt oder eine

vallmarken liefert, auf die die Messung begründet entsprechende Verstellung an der Halterung des

wird, kann dann bequem irgendein anderer Punkt beweglichen Spiegels vornimmt. Beim letztgenannten

der oszillatorischen Bewegung der Platte 42 dienen, 65 Meßverfahren ist es beispielsweise zur überwachung

der in geeigneter Weise zeitlich verschoben gegen- der Dicke eines Films mit etwa 0,4 mm Solldicke

über dem weißen Interferenzstreifen ist und dessen typisch, den beweglichen Spiegel mit einer Abtast-

Erreichen durch Lieferung eines elektrischen Impulses geschwindigkeit von etwa 10 bis 160 Hz über einen

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Bereich zwischen nur 0,06 und 0,004 mm hin- und Es versteht sich, daß man statt im Reflexionsverherzubewegen, je nachdem, welche Toleranz einge- fahren gemäß F i g. 1 auch im Durchstrahlungshalten werden soll. Je höher die Frequenz der Ab- verfahren die Filmdicke messen kann. Die optische tastgeschwindigkeit ist, um so größer ist die Zahl Weglängendifferenz zwischen zwei zur Messung herander Filmdickemessungen, die in einem gegebenen 5 gezogenen Teilstrahlbündeln entsteht dann dadurch. Zeitintervall durchgeführt werden können. daß ein Teilstrahlbündel den Film direkt durchsetzt, Es ist zweckmäßig, wenn das Meßsignal, welches während das andere einmal im Film hin- und hervon dem dem Interferometer nachgeordneten Emp- reflektiert wird, ehe es wie das erste Teilstrahlbündel fänger aufgenommen wird, durch ein einstellbares durch den Film hindurchtritt. Dieses Verfahren ist Dämpfungsglied geleitet wird, dessen abgestufte Ver- io jedoch apparativ aufwendiger, da Einrichtungen für Stärkung von Hand eingestellt werden kann, so daß die Filmdickemessung zu beiden Seiten des Films eine Bedienungsperson die Meß- und gegebenenfalls angeordnet werden müssen, was beim Reflexions-Registriervorrichtung bezüglich der Signalhöhe an verfahren nicht erforderlich ist. Wenn man im Durchdie zu messende Filmdicke anpassen kann. strahlungsverfahren mit einer zur Schaffung der Zeit-Eine Einrichtung, mit der das soeben beschriebene 15 basis dienenden monochromatischen Zusatzstrah-Verfahren durchgeführt werden kann, zeigt die lungsquelle arbeitet, ordnet man diese zweckmäßiger-F i g. 6. Bei dieser Einrichtung wird die Filmdicken- weise so an, daß die monochromatische Strahlung messung an einem fortlaufend bewegten Film 10' nicht den Film durchtritt.

vorgenommen, der zwischen zwei Rollen 11' und 12' Wendet man sich nun noch einmal der oben vor dem optischen Teil 65 der Meßeinrichtung vor- 20 diskutierten Gleichung (5) zu, so erweist sich das beiläuft. Der Aufbau des optischen Teiles 65 der Meß- Zeitintervall At ebenso als Funktion des Brechungseinrichtung entspricht dem in F i g. 1 gezeigten, index η wie der Länge des Weges d, so daß ebenso wobei anstatt des Prismas 19 ein halb durchlässiger, gut auf diese Weise auch der Brechungsindex meßbar unter 45° geneigter Spiegel 67 vorgesehen ist. Als ist.

Interferometer ist das in F i g. 2 gezeigte Interfero- 25 Eine zum Ausführen einer solchen Messung bevor-

meter vom Michelson-Typ benutzt. Der elektrische zugte Vorrichtung ist etwas schematisch in Fig. 8

Teil 66 der Meßeinrichtung umfaßt einen Sägezahn- dargestellt. Hier kann die Probe 86 mit der Dicke d

Generator 70, dessen Ausgangssignal 68 über einen ein laufender Film sein oder aber eine Probe einer

Verstärker 71 den elektrodynamischen Schwinganker- fließenden Flüssigkeit oder irgendeine andere phy-

motor 72 für den Antrieb des Spiegels 30' zugeführt 30 sikalische Materialform, die in der im folgenden be-

ist. Einer der beiden Spiegel 30' und 31' ist mittels schriebenen Weise Strahlung von ihrer Oberfläche

einer Mikrometerschraube entsprechend der Soll- reflektiert.

dicke des Filmes so verstellt, daß die Fotozelle nur Die verwendete optische Anordnung ähnelt der noch einen der beiden Seiten-Interferenzstreifen g_t der Fig. 1, mit der Ausnahme, daß hier gleich- oder g₂ sieht, wobei der Hub des bewegbaren Spiegels 35 zeitig zwei interferometrische Untersuchungen durchentsprechend der zu erwartenden Dickenabweichun- geführt werden, und zwar eine normal zur Probe, gen von der Solldicke gewählt ist. bei der der Strahlungsweg in voll ausgezogener Das Ausgangssignal der Fotozelle 33' gelangt über Liniendarstellung in F i g. 8 angezeigt ist, und eine einen Verstärker 75, ein Dämpfungsglied 76, einen andere mit einem Winkel Θ gegenüber der Normalen, weiteren Verstärker 77 und über eine Impulsform- 40 bei der der Strahlungsweg in gestrichelten Linien stufe 78 in einen Multivibrator 79. dargestellt ist. Dies läßt sich in bequemer Weise durch Die Zeitmarke wird, da der zentrale Interferenz- Verwendung einer üblichen Quelle 87 mit Kondenstreifen als mögliche Zeitmarke entfällt, aus dem Säge- sorlinsen 18' und 18" durchführen, von denen die zahnsignal des Generators 70 abgeleitet. Dieses Signal erste die Strahlung zum Strahlenteiler 90 richtet, der gelangt über die Leitung 83 ebenfalls in den Multi- 45 im wesentlichen die ganze Strahlung entlang des vibrator 79. Dieser gibt ein rechteckwellenförmiges Weges 92 senkrecht zur Fläche der Probe richtet, Signal ab, dessen Gleichstrommittelwert vom zeit- während die letztgenannte Linse die Strahlung mit liehen Unterschied des Auftretens der Impulse aus einem Winkel von vorzugsweise 45° gegen die Probe der Stufe 78 und der Spitzen des Sägezahnsignals ab- richtet, wie es als Linie 85 eingezeichnet ist. Ein Teil hängt. Der Mittelwert wird in einem Meßinstrument 5° des normal gerichteten Strahlenbündels wird sowohl 80 sichtbar gemacht und gleichzeitig in einem Schrei- von der frontseitigen als auch der rückseitigen Oberber 81 aufgezeichnet. fläche der Probe 86 aus durch den Strahlungsteiler 90 F i g. 7 zeigt die auftretenden Signale für den reflektiert und gelangt zum Interferometer 91, das Fall, daß der Film genau die Solldicke hat, wobei die gleiche Form haben kann, die schon im Zumit I das vom Sägezahngenerator an den Multi- 55 sammenhang mit F i g. 2 besprochen worden ist. vibrator 79 abgegebene Signal, mit II das im bista- Das winkelig auf die Probe 86 auftreffende Strahlenbilen Multivibrator, wenn dieser lediglich durch das bündel wird von der frontseitigen Fläche entlang Signal I getriggert ist, erzeugte Signal, mit III das eines Weges 88 reflektiert, wobei aber ein Anteil von der Stufe 78 abgegebene und eine zusätzliche innerhalb der Probe entlang eines Weges mit einem Triggerung des Multivibrators bewirkende Signal 60 Winkel O₁ gegenüber der Normalen gebrochen wird, und mit IV das in den Instrumenten 80 und 81 zu um anschließend von der rückseitigen Fläche der mittelnde Ausgangssignal des Multivibrators bezeich- Probe reflektiert zu werden und dann die Probe entnet ist. lang des Weges 89 zu verlassen. Diese beiden Teil-Ais breitbandige Strahlungsquelle für das »weiße« strahlbündel werden mittels des Spiegels 93 zum Meßstrahlbündel verwendet man üblicherweise eine 65 Strahlenteiler 90 reflektiert und gelangen dann zum glühende Wolframdrahtlampe, die mit Gleichstrom Interferometer 91.

betrieben wird und Strahlung im Wellenlangenbereich Aus dem Vorhergehenden wird ersichtlich, daß

/.wischen 1 bis 3 Mikron aussendet. vier getrennte Wellenzüge vorhanden sind, die sich

zum Gewinnen von weißen Interferenzstreifen eignen, wobei der zentrale Interferenzstreifen p' (s. F i g. 9) durch Interferenzverstärkung zwischen allen vier Wellenzügen zustande kommt, wenn der hin- und herbewegbare Spiegel des Interferometers 91 an einem Punkt seines Weges ankommt, indem die zwei Interferometerarme exakt gleich sind. Wenn andererseits sich der hin- und herbewegbare Spiegel weiter bei seiner Hin- und Herbewegung fortbewegt, entstehen weiße Seiten-Interferenzstreifen, die der Reihe nach in Beziehung zu dem Strahlenbündel auftreten, das normal auf die Probe entlang der Weglinie 92 auftrifft — das bewirkt den Interferenzstreifen Zj₁ — und in Beziehung zu dem Strahlenbündel, das winklig auf die Probe entlang der Weglang der Weglinie 85 auftrifft — das bewirkt den Interferenzstreifen h₂. Die Seiten-Interferenzstreifen Zi₁ und Zi₂ sind voneinander etwa 1 bis 1,5% des extremen Abstandes zwischen zentralem Interferenzstreifen und Seiten-Interferenzstreifen entfernt, aber sie unterscheiden sich genug, um sich zur Messung der Zeitintervalle Jf₁ und Ji₂ zu eignen, auf die sich die Messung des Brechungsindex stützen kann.

Grundsätzlich ist es möglich, den Brechungsindex auch mit der Anordnung der Fig. 1 oder 5 zu bestimmen, wenn vorausgesetzt werden kann, daß die Proben- bzw. Filmdicke bekannt ist. Da dies· jedoch nicht immer der Fall ist, werden bei dieser Anordnung, wie schon ausgeführt, gleichzeitig zwei Untersuchungen durchgeführt, von denen die eine zum Interferenzstreifen Zi₁ und die andere zum Interferenzstreifen Zz₂ führt. Jede einzelne Untersuchung gleicht im Prinzip der Einzeluntersuchung nach F i g. 1 und 2. Wie dort werden in das Interferometer einfallende Lichtbündel jeweils in zwei Teilbündel aufgespalten, so daß im Interferometer 91 also acht Teilbündel vorhanden sind. Davon interferieren die zum Strahl 91 gehörenden vier Teilbündel untereinander, wie es an Hand von F i g. 1 und 2 beschrieben wurde, und ergeben die Interferenz Zi₁ und außerdem eine in F i g. 9 nicht gezeigte, symmetrisch zur Interferenz Zz₁ auf der anderen Seite des Maximums P' liegende Interferenz. In gleicher Weise interferieren die zu den Lichtbündeln 88 und 89 gehörenden vier Teilbündel und ergeben die Interferenz Zi₂ und eine weitere dazu symmetrische, ebenfalls nicht gezeigte Interferenz. Der durch die Anordnung gegebene Weglängenunterschied zwischen dem senkrecht auf den Film eingefallenen Strahl und dem schräg ' eingefallenen Strahl ist so groß, daß er im Interferometer nicht kompensiert werden kann und daher die jeweils vier zu einem der Strahlen gehörenden Teilbündel miteinander nicht zur Interferenz kommen.

Es gilt entsprechend der obigen Gleichung (5)

Jf₁ = K (2(IiZ)COSO₁,

wobei K — T/B ist, aber, da Q_x für normal einfallende Strahlung 0° ist, gilt cos Q_x = 1, und deshalb ist Ji₁ = K (2nd). Ähnlich gilt

Jf₂ = K (2nd) cos Q_x ,

60

indessen ist in diesem Fall B₁ der in F i g. 6 gezeigte Brechungswinkel, der Tür winklig einfallende Strahlung größer als 0 ist. Kombiniert man die Gleichungen, so gilt

Jf₂ = If₁ cos Q_x oder cos Q₁ = . If₂/ If₁ .
Dieses Verhältnis der zwei ausführbaren Zeitmessungen kann leicht durch konventionelle spannungsmäßige Analogmittel erhalten werden.

Nach dem Snellschen Gesetz gilt sin Θ_χ = ~?-,

wobei η der Brechungsindex ist. Benutzt man die trigonometrische Formel

sin² Θ_χ + cos² Θ_χ = 1

und substituiert man sin Θ/η für sin Q_x, so erhält man die Gleichung

η cos Q_x = ]/ n² — sin² Q .

Da sin Θ bekannt ist und cos Q_x bestimmt wird als das Zeitverhältnis Jf₂/'At_x, kann der Brechungsindex berechnet werden.

Viele polymere Materialien besitzen die Eigenschaft der Doppelbrechung in verschiedenen Graden, und zwar in Abhängigkeit von dem Ausmaß der molekularen Orientierung innerhalb der Kristalle. So hat jeder Kristall drei verschiedene Brechungsindizes, n_x, n_y und n_z, die orthogonal aufeinander bezogen sind. Die Doppelbrechung in der Ebene Länge (x) — Breite (y) für dünne Schichten ist dann definiert als |n_x —n_y|. Wenn ein Doppelbrechung aufweisender Film mit normal einfallender Strahlung ebenso untersucht wird, wie es weiter oben für Filmdickenmessung dargelegt wurde, werden zweifache Seiten-Interferenzstreifen k_x und Zc₂ erhalten, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Wiederum können die Zeitintervalle Jf₁ und Jt₂, die beim Abtasten vom zentralen Interferenzstreifen p" zu den Seiten-Interferenzstreifen Zc₁ bzw. Zc₂ auftreten, gemessen werden. Wie von der Diskussion der Gleichung (5) in Anwendung auf Untersuchungen auf normalen Einfall zum Bestimmen des Brechungsindexes in der oben beschriebenen Weise klar wird, ist im Betrieb die optische Dichte, die als Produkt eines gegebenen Brechungsindex η und der Filmdicke d definiert ist, zum Zeitintervall Jt durch eine gewöhnliche Konstante K' in Beziehung gesetzt, so daß allgemein Jt = K' nd gilt. Demzufolge ist

Jt₂-JtJ = K'n_xd-K'n_yd.

Wenn der letztere Ausdruck durch das Produkt K' mal einer mittleren Dicke d_mittel dividiert wird, erhält man die Doppelbrechung, nämlich

K'n_xd - K'n_yd

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen "■ ^(mittel)

Die mittlere Dicke d_millei, die hierbei verwendet wird, ist bei der Berechnung nicht besonders kritisch, solange sie sich generell innerhalb des Bereichs der Werte befindet, die bei der überwachung der Dicke in der beschriebenen Weise gemessen werden. Vorteilhaft kann die Filmdicke zugleich mit der Doppelbrechung gemessen werden, da dieselben Seiten-Interferenzstreifen Zc₁ und Zc₂ als Marken verwendet werden; als Dicke wird dann der Mittelwert genommen, der sich auf ein Zeitintervall stützt zwischen Ji₁' und Jt₂, wenn extreme Genauigkeit gewünscht wird.

Noch verschiedene andere Eigenschaften — nur beispielsweise die Anwesenheit von speziellen Substanzen in einem Produkt — sind oft begleitet durch charakteristische Strahlungsinterferenzeffekte, die in ähnlicher Weise ausgemessen und in Beziehung zu ihrer Ursache gesetzt werden können, falls man diese Effekte isolieren kann.

209 515/9

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur kontinuierlichen interferometrischen Messung von Dicke oder Brechungsindex eines laufenden, durchsichtigen Films, bei dem auf den Film ein Weißlichtbündel gerichtet wird und die an der Vorderseite und an der Rückseite des Filmes reflektierten, einen Gangunterschied aufweisenden Lichtbündel nach Verändern ihres Gangunterschiedes zur Interferenz gebracht werden und die zum Erzeugen einer weißen Interferenzverstärkung erforderliche Veränderung des Gangunterschiedes gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gangunterschied periodisch verändert und mit gleicher Periode eine Zeitmarke erzeugt wird, daß die gemeinsame Intensität der interferierenden Lichtbündel (23', 23") auf an sich bekanntem, photoelektrischem Wege als elektrisches Signal dargestellt wird und daß der Zeitabstand zwischen der periodischen Zeitmarke und jedem Auftreten eines der weißen Interferenzverstärkung entsprechenden Signals gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die beiden reflektierten Lichtbündel jeweils in zwei weiße Teilbündel zerlegt werden, die nach Verändern ihres Gangunterschiedes zur Interferenz gebracht werden, wobei der Gangunterschied zweier, von dem einen bzw. dem anderen Lichtbündel stammenden Teilbündel gemeinsam gegenüber den zwei anderen Teilbündeln verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand zwischen der Zeitmarke und jedem Auftreten eines Signals gemessen wird, das einen der beiden Interferenzverstärkungen (g_t; g₂) entspricht, die von je einem Teilbündel des einen Lichtbündels (R₁; R₂) und je einem Teilbündel des anderen Lichtbündels (R₂; Ri) erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitmarke das der anderen der beiden Interferenzverstärkungen (g₂; g_x) entsprechende Signal verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitmarke ein Signal verwendet wird, das einer gleichzeitigen Interferenzverstärkung (P) sowohl der Teilbündel des einen Lichtbündels (R₁) einerseits und der Teilbündel des anderen Lichtbündels (R₂) andererseits entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Intensitätssignale, die unter dem Pegel der einer Interferenzverstärkung entsprechenden Signale liegen, unterdrückt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessung in an sich bekannter Weise durch Zählung kleiner Zeitbasisintervalle vorgenommen wird.

7. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß als interferometrisches Analysiergerät eine ebene lichtdurchlässige Platte (42) dient, die um eine zur Filmebene parallele Achse periodisch drehbar ist, an deren dem Film (10') zugewandter Seite (43) eine Reflexion des an der Rückseite (C) reflektierten Lichtbündels (23") und an deren dem Film abgewandter Seite (44) eine Reflexion des an der Vorderseite (B) des Films reflektierten Lichtbündels (23') jeweils an einer lichtreflektierenden Beschichtung erfolgt und daß das Weißlichtbündel (15') unter einem schrägen Winkel auf den Film auffällt (F i g. 5).

8. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als interferometrisches Analysiergerät ein Michelson-Interferometer (26) dient, dessen beweglicher Spiegel (30) nach einer Sägezahnfunktion (F i g. 4) hin- und herbewegbar ist, wobei die flache Zahnflanke der Bewegungsfunktion der Zeitmessung zugeordnet ist.

9. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Lichtquelle (16) für das Weißlichtbündel (15) noch eine zusätzliche, mit ihren Interferenzstreifen eine Zeitbasis schaffende monochromatische Lichtquelle vorgesehen ist.