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Verfahren und Vorrichtung zur Untersuchung der Eigenschaften von Oberflächenschichten
lichtdurchlässiger Werkstoffe Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung
der Eigenschaften von Oberflächenschichten lichtdurchlässiger Werkstoffe und richtet
sich ferner auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Es ist bekannt, optische Eigenschaften, insbesondere die Doppelbrechung
eines durchsichtigen Werkstoffes dadurch zu bestimmen und zu messen, daß durch die
gesamte Dicke des zu untersuchenden, z. B. in Form eines Plättchens oder einer Folie
vorliegenden Stoffes ein vorzugsweise polarisiertes Lichtstrahlenbündel hindurchgeschickt
wird. Dabei kann der optische Weg dieses Lichtstrahlenbündels senkrecht oder schräg
zu den Oberflächen des Plättchens verlaufen. Die Bestimmung der Spannungen, die
bekanntlich in Beziehung zu den Gangunterschieden des Strahlenganges eines polarisierten
Lichtes stehen, erfolgt durch Integration der Differenzen des Strahlenganges längs
dieses Weges. Eine solche ist jedoch insbesondere dann, wenn die Summe der Gangunterschiede
trotz Vorliegen eines Systems von unter Umständen sehr bedeutenden Spannungen gleich
Null ist, z. B. dann, wenn dieses Spannungssystem aus parallel zu den Oberflächen
gerichteten Spannungen besteht, die sich von der einen zur anderen Seite des Plättchens
verändern, sich jedoch, wie beispielsweise bei homogen vorgespanntem Glas, ausgleichen,
unmöglich.
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Es ist auch bereits bekannt, daß beim Auftreffen des Lichtstrahlenbündels
unter dem Totalreflexionswinkel auf ein optisch dünneres Medium eine Grenzschichtwelle
entsteht, die man im dichteren Medium beobachten kann (Annalen der Physik, 6. Folge,
Bd. 4, Heft 8, 1949, S. 409 bis 431).
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Die bekannte Anordnung zum Nachweis dieser Grenzschichtwelle besteht
im wesentlichen darin, daß ein rechtwinkliges Prisma, dessen Hypothenuse als Grenzfläche
benutzt wird, das dichtere Medium bildet, während die Lichtquelle durch einen beleuchteten
Spalt auf einer Kathete realisiert wird. Das reflektierte Licht wird durch eine
Schneidenblende auf der zweiten Kathete abgedeckt.
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Diese Anordnung ist für die Beobachtung der Grenzschichtstrahlung
besonders ungünstig. Dadurch, daß das einfallende bzw. reflektierte Strahlenbündel
divergierend ist, entsteht im Bereich der Blendenkante auf der Austrittskathete
eine Überlagerung der Grenzschichtstrahlung und der reflektierten Strahlen.
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Um daher eine vollständige Ausschaltung der reflektierten Strahlen
zu erreichen, muß man gleichzeitig einen Teil der Grenzschichtstrahlung abdecken.
Berücksichtigt man aber, daß die Intensität der Grenzschichtstrahlung mit der 3.
Potenz der Entfernung vom Einfallsbereich abnimmt, so wird ersichtlich, daß gerade
durch die bekannte Anordnung der wichtigste Teil der Grenzschichtstrahlung fortfällt.
Darüber hinaus wird die Grenzschichtstrahlung durch Beugungslicht vom Eintrittsspalt
überdeckt, das eine etwa 100 O00fache Intensität aufweist. Dieses Beugungslicht
kann in befriedigender Weise nur mittels eines zusätzlichen Objektivs abgelenkt
werden.
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Es war auch nicht bekannt, daß die Grenzschichtstrahlung Informationen
über die Eigenschaften der Oberschichten im dünneren Medium, insbesondere über ihren
Spannungszustand, liefern könnte.
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Von diesem Stand der Technik ausgehend, bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren zur Untersuchung der Eigenschaften der Oberflächenschichten lichtdurchlässiger
Werkstoffe und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtstrahlenbündel durch einen
auf die zu untersuchende Oberfläche aufgesetzten Körper aus optisch dichterem Material
im wesentlichen unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf die zu untersuchende
Oberfläche gerichtet und die sich längs der Grenzfläche des die zu untersuchende
Oberfläche aufweisenden, optisch dünneren Materials fortpilanzende Lichtenergie
bei Wiedereintritt in das dichtere Medium unter Ausblendung unmittelbar hinter dem
Einfallsbereich des reflektierten Lichtes beobachtet wird.
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Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung von
Oberflächenspannungen verwendet man vorzugsweise polarisiertes Licht.
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Dabei wird in weiterer Ausbildung der Erfindung das austretende Lichtstrahlenbündel
vorzugsweise mit einem Streifenkompensator aufgenommen, dessen Mittelebene rechtwinklig
zu dem austretenden Lichtstrahlenbündel liegt und dessen natürliche Streifenrichtung
parallel zu der Einfallsebene verläuft, so daß der Kompensator geradlinige, gegenüber
ihrer normalen Richtung geneigte Streifen erzeugt, deren Neigung eine Funktion der
Doppelbrechung des Mediums ist und derart eine Messung der Oberflächenspannung ermöglicht.
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Vorzugsweise wird dabei ein Streifenkompensator verwendet, dessen
Streifenlokalisierungsebene außerhalb des Kompensators liegt, weil dadurch die Koinzidenz
eines Streifens mit einem Meßfaden besonders genau beobachtet werden kann.
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Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders
geeignete Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine ein Lichtstrahlenbündel erzeugende
Lichtquelle, einen optischen Zwischenkörper mit höherem Brechungsindex im Vergleich
zu dem des zu untersuchenden Körpers, der das Lichtstrahlenbündel vorzugsweise unter
Verwendung einer Immersionsflüssigkeit mit einem Brechungsindex mindestens in der
Höhe des zu untersuchenden Körpers unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auf
den zu untersuchenden Körper richtet, eine zwischen den einfallenden und den aus
dem zu untersuchenden Körper austretenden Lichtstrahlen angeordnete Blende sowie
ein Empfangsorgan zur Beobachtung des austretenden Lichtes.
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Zweckmäßig verwendet man dabei eine Beleuchtungseinrichtung, welche
die Erzeugung eines Lichtstrahlenbündels von dünner, flacher Form erlaubt.
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Dazu besteht die Lichtquelle vorzugsweise aus einem geradlinigen Leuchtfaden
und ist parallel zu sich verschiebbar angeordnet, wobei der Leuchtfaden immer parallel
zu einem Schlitz von verstellbarer Breite liegt, welcher das einfallende Strahlenbündel
begrenzt.
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Unterhalb des Schlitzes ist der optische Körper in Gestalt eines
aus einem oder mehreren Teilen bestehenden Blockes aus durchsichtigem Werkstoff
angeordnet, dessen ebene Grundfläche auf der oberen Fläche des zu untersuchenden
durchsichtigen Körpers aufruht, dessen eine Seitenfläche eine Totalreflexion des
einfallenden Strahlenbündels bewirkt und der eine andere Fläche aufweist, welche
die Totalreflexion des austretenden Lichtstrahlenbündels bewirkt.
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Der optische Körper weist vorzugsweise in seiner Grundfläche in der
Nähe der Einfallsstrahlen des Lichtstrahlenbündels eine Kerbe auf, welche mit einem
die störenden Strahlen absorbierenden Stoff angefüllt ist.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist im Strahlengang der beobachteten
Strahlen ein Kompensator aus zwei doppeltbrechenden einachsigen Lamellen angeordnet,
deren eine Lamelle mit zueinander parallelen Flächen so geschnitten ist, daß diese
Flächen einen vorbestimmten Winkel zu ihrer optischen Achse bilden und deren andere
mit kleinem Winkel prismatisch gestaltet und so geschnitten ist, daß ihre optische
Achse parallel zu ihrer Brechungskante liegt und die beiden Lamellen so miteinander
vereinigt sind, daß ihre optischen Achsen im rechten Winkel zueinander liegen.
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Vorzugsweise sind die beiden Lamellen des Kompensators fest in einem
in seiner Ebene verschiebbaren Schieber eingefaßt, der rechtwinklig zu dem Lichtstrahlenbündel
liegt.
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Man kann auch eine einen Meßfaden, z. B. einen eingravierten Strich
aufweisende, in der Lokalisie rungsebene der Streifen liegende, in ihrer Ebene drehbare
Glasplatte vorsehen, deren Drehungen auf einem damit fest verbundenen, mit Gradeinteilung
versehenen Ring ablesbar sind.
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Zweckmäßig wird ein ausschaltbares, auf einem in dem Gehäuse verschiebbaren
Schieber angeordnetes Objektiv vorgesehen, welches das Anvisieren einer an einem
bestimmten Punkt des zu untersuchenden Prüfkörpers angeordneten Markierung ermöglicht.
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Nachstehend wird als Beispiel eine Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, und zwar für die Untersuchung
einer ebenen Lamelle, an Hand der Figuren beschrieben, von denen F i g. 1 ein Schnitt
durch die gesamte Vorrichtung ist und F i g. 2 in schematischer Darstellung eine
Ausführungsform des Kompensators besonderer Ausbildung veranschaulicht.
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Die Lichtquelle besteht aus einer in einem Träger 2, der mit Außengewinde
versehen ist und auf den ein Gewindering4, welcher der axialen Verstellung der Lampe
dient, aufgeschraubt ist, gelagerten Lampe 1 mit geradem Glühfaden. Die Drehung
des Trägers um seine Achse wird durch einen nicht dargestellten Zapfen verhindert.
Der Lampe ist ein parallel zu ihrem Faden 6 liegender Schlitz 5 zugeordnet, der
durch zwei zueinander parallele Lippen begrenzt ist, deren eine, 7, zwecks Verstellung
der Breite des Schlitzes gegenüber der anderen durch eine Schraube 8 mit Rändelkopf
verschieblich ist. Diese Anordnung ermöglicht es, ein pinselartiges Lichtstrahlenbündel
von rechteckigem, sehr langgestrecktem Querschnitt genau definierter Richtung und
bestimmter Dicke zu erzeugen. Dieses flache Lichtstrahlenblindel passiert eine z.
B. aus einer polarisierenden Kunststoffolie be stehende Polarisiervorrichtung 9,
durch die ihm eine z. B. um 450 gegenüber der Mittelebene des Strahlenbündels geneigte
Schwingungsrichtung erteilt wird.
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Das flache Bündel von polarisiertem Licht 10, das in der Figur in
vollen Linien dargestellt ist, erreicht dann einen optischen Körper 11, der eine
solche Form besitzt, daß er für das einfallende Licht als Prisma mit Totalreflexion
wirkt und der durch seine Fläche 12 die Strahlen des Bündels von polarisiertem Licht
nach der Fläche 13 der zu untersuchenden Lamelle 14 hin unter einem Einfallswinkel
hinleitet, der sehr nahe dem Grenzeinfallswinkel des aus Prisma und Lamelle bestehenden
Systems liegt, so daß die gebrochenen Strahlen in dem Stoff der Lamelle einen Brechungswinkel
von nahezu 900 bilden.
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Dieser optische Körper 11, der ein einheitlicher Körper sein oder
auch aus miteinander vereinigten Teilkörpern bestehen kann, besitzt eine ebene Fläche
15, die in engem Kontakt mit der Fläche 13 der zu untersuchenden Lamelle stehen
kann. Er besteht aus einem durchsichtigen Material, dessen Brechungsindex größer
oder wenigstens gleich dem des Materials, aus dem die zu untersuchende Lamelle besteht,
ist.
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Im Falle der Durchführung der Untersuchung im polychromatischen Licht
wird zunächst die durch den Stoff, aus dem der optische Körper besteht, hervorgerufene
Dispersion
berücksichtigt. Um für alle Strahlungen einen Brechungswinkel von gleichem Wert
zu erhalten, ist es zweckmäßig, die Dispersion des optischen Körpers in bezug auf
die zu untersuchende Lamelle festzustellen.
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Zum Beispiel kann der Körper 11 zwecks Untersuchung von Glasgegenständen
mit dem Brechungsindex 1,52 einen Brechungsindex von 1,6 aufweisen.
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Die Neigung der Strahlen, die auf die Oberfläche 15 des optischen
Körpers 11, die in Kontakt mit der Fläche der Lamelle 14 steht, auftreffen, ist
also erheblich größer als der Grenzwinkel des optischen Körpers gegenüber Luft.
Damit das Licht aus dem optischen Körper austreten und in die Oberflächenschichten
der Lamelle mit einem nahe 900 liegenden Brechungswinkel eintreten kann, muß zwischen
die ebene Fläche 15 des optischen Körpers 12 und die ebene Fläche 13 der Lamelle
14 eine Immersionsflüssigkeit eingeschaltet werden, deren Brechungsindex größer
ist als der der Lamelle. Im Falle einer Glaslamelle mit dem Index 1,52 und eines
optischen Körpers mit dem Index 1,6 wird z. B. Trikresylphosphat mit dem Brechungsindex
1,56 verwendet.
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Um die störenden Lichtstrahlen, deren Intensität im Verhältnis zu
der des hindurchgehenden Lichtstrahlenbündels sehr groß ist, auszuschalten, ist
es notwendig, eine zweckentsprechende Blende, wie z. B. einen lichtundurchlässigen
Schirm oder eine Reflexionsfläche zu verwenden. Gemäß der dargestellten Ausführungsform
wird eine rechtwinklig zu der Fläche 15 des optischen Körpers verlaufende ausgehöhlte
Kerbe 16 mit einem absorbierenden Stoff, wie Teer, gefüllt, welcher diese parasitären
Strahlungen abstoppt.
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Nachdem die Lichtstrahlen die Oberflächenschicht der Lamelle durchdrungen
haben, treten sie von neuem über die Fläche 15 in den optischen Körper 11 ein. Sie
werden dann auf der zweckentsprechend orientierten Fläche 17 des Körpers 11 total
reflektiert und nach einem Empfangstubus 18 geleitet.
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Der Empfangstubus 18 enthält einen Kompensator 19, der gemäß der
Erfindung in der im folgenden zu beschreibenden Weise ausgebildet ist: Eine 1,9
mm dicke Lamelle mit zueinander parallelen Flächen 20 (Fig. 2) wird aus einem doppeltbrechenden
einachsigen Material in solcher Weise ausgeschnitten, daß ihre optische Achse 21
um 9° gegenüber ihren zueinander parallelen Flächen geneigt ist. Mit dieser Lamelle
wird eine prismatische Lamelle 22 aus dem gleichen Material, deren optische Achse
23, die in der Figur nur als Punkt erscheint, parallel zu ihrer Brechungskante verläuft,
vereinigt.
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Diese Achse kreuzt die vorher erwähnte Achse. Die Fläche 24 der prismatischen
Lamelle ist um 20 30' gegenüber ihrer anderen mit der Lamelle mit zueinander parallelen
Flächen vereinigten Fläche geneigt.
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Ihre größte Dicke beträgt 2,25 mm. Bei dem aus dieser Gesamtheit bestehenden
Kompensator liegt die Lokalisierungsebene P der Streifen in 9 mm Abstand von der
Fläche 24. Die angegebenen Zahlen beziehen sich auf das Ausführungsbeispiel und
haben deshalb keinen begrenzenden Charakter.
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Diese beiden Lamellen des Kompensators werden in einem in einer Ebene
rechtwinklig zu dem Lichtstrahlenbündel liegenden Schieber 19 a fest, und zwar derart
angeordnet, daß die Brechungskante der prismatischen Lamelle in der Austrittsebene
der Strahlen liegt. Dieser Schieber kann gegebenenfalls in seiner
Ebene verschieblich
sein, so daß sogar in polychromatischem Licht die Streifen innerhalb eines ausgedehnten
Bereichs von Gangunterschieden beobachtet werden können.
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Die Strahlen erreichen nach ihrem Durchgang durch den Kompensator
einen Analysator 26.
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Innerhalb des Tubus 18 liegt ein weiterer mit einem mit einer Gradeinteilung
versehenen Ring 31 ausgerüsteter Tubus30, der gleichzeitig ein Okular 27 vom positiven
Typ und einen Meßfaden29, der in ein Glasplättchen eingraviert ist, enthält. Das
Okular kann in der Längsrichtung des Tubus 18 zwecks Anpassung an das Auge des Bedienungsmannes
zwecks genauen Erkennens des Meßfadens verstellt werden. Der Meßfaden selbst ist
gegenüber dem Tubus 18 fest und liegt ortsfest in der Lokalisierungsebene der Streifen
des Kompensators. Er wird durch Drehung des mit der Gradeinteilung versehenen Ringes31
verdreht, um den Meßfaden in die Lage parallel zu den Streifen zu bringen. Der Ring
31 ermöglicht es, den Winkel, um den der Meßfaden verdreht worden ist, bis er mit
den Streifen zusammenfällt, was durch das Okular beobachtet wird, abzulesen bzw.
zu messen. Die Gradeinteilung kann in Tangenswerten des Winkels erfolgen und ermöglicht
dann die unmittelbare Ablesung des Wertes der Spannung.
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Die Vorrichtung umfaßt ferner eine besonders vorteilhafte Einrichtung
zum Auswählen eines bestimmten Punktes der Oberfläche der zu untersuchenden Lamelle
durch Visieren einer auf ihrer Fläche angebrachten Markierung. Die Vorrichtung weist
zu diesem Zwecke einen von zwei Öffnungen durchbohrten Schieber33 auf. In einer
dieser Öffnungen ist ein kleines Objektiv 32 angeordnet, welches, wenn es sich in
der Achse des Rohres befindet, in die Beobachtungsebene des Okulars das Bild eines
bestimmten Punktes auf der Lamelle projiziert. Wenn der Schieber in der anderen
Richtung bewegt wird, so wird das Objektiv ausgeschaltet, und das zu untersuchende
Licht passiert die zweite Öffnung des Schiebers.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung sind sämtliche Teile
in einem Gehäuse untergebracht, das eine die Lampe umgebende Schutzhaube 34 aufweist,
an der die Lampe über ihre Verstellvorrichtung befestigt ist. Ferner ist ein den
optischen Kontaktkörper umschließendes, sich jedoch nicht auf der Oberfläche der
zu untersuchenden Lamelle abstützendes Gestell 35 vorgesehen. An diesem Gestell
sind die regelbare Schlitzanordnung 5 und der Polarisator 9 befestigt.
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Der optische Körper 11 und das Gestell 35 sind miteinander, z.B. durch
zwei nicht dargestellte, in in ihre Wandungen ausgesparte Schlitze eingesetzte Keile
fest verbunden. Mit dem Gestell 35 ist der die Schlitze, in welchem der Schieber
des Kompensators und der des ausschaltbaren Objektivs verschiebbar ist, aufweisende
Empfangstubus 18 verbunden.