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Johannes Schwider Anordnung zur Erzeugung von Vielstrahlinterferenzen
im weißen Licht und zur Unterteilung des Ordnungsabstandes der Interferenzstreifen
Die Erfindungbetrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Vieletrahlinterferenzen im
weißen Licht und zur Unterteilung des Ordnungsabstandes der Interferenzstreifen.
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Die Anordnung dient zur Oberflächenbestimmung und Ebenheitsprüfung
insbesondere optischer Flächen.
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Bekannt ist das Vieletrahiverfahren nach Tolansky, bei dem das Interferenzsystem
von zwei durchlässig verspiegelten Keilflächen gebildet wird.
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Parallel gerichtetes monochromatisches Licht erzeugt in der Interferenzschicht
schmale, sehr scharf ausgeprägte Streifen, die besonders an den von ihnen durchzogenen
Stellen ein genaues Messen der Qualität der Prüfflächen erlauben.
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Bezogen auf die Halbwertsbreite der Interferenzstreifen ist der Raum
zwischen einem Streifenpaar relativ groß und einer Auswertung schwer zugänglich,
da zwischen den Streifen hinreichende Informationen fehlen.
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Eine andere Methode zur interferentiellen Prüfung von Oberflächen,
ebenfalls von Tolansky beschrieben, ist bekannt unter der Bezeichnung"fringes of
equal chromatic orderit.
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Hierbei gelangt ein paralleles Strahlenbündel weißen Lichtes auf das
Interferenzsystem, Die Interferenzschicht wird auf den Spalt eines Prismen-Spektrographen
abgebildet, so daß von einem schmalen Objektbereich eine spektrale Zerlegung der
Interferenzerscheinung erfolgt, die ein Wellenlängenabbild der Luftschicht des Interferenzsystems
darstellt.
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Die hohe Präzision bei der Wellenlängenmessung wird der Bestimmung
der Dicke des Prüflings zugänglich gemacht.
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Bei dieser Methode kann nur ein spaltfbrmiger Ausschnitt des Gesichtsfeldes
zur Prüfung herangeogen werden.
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Der apparative Aufwand ist erheblich und die Auswertung der Interferenz
erscheinung kompliziert, Es ist bereits bekannt, zur Erhöhung der Meßgenauigkeit
bei der Planflächenprüfung den Ordnungsabstand der Interferenzstreifen zu unterteilen.
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J. B. Saunders hat zu diesem Zwecke durch stufenweise Anderung des
Luftdruckes zwischen den Interferometerplatten den Brechungsindex der Buftplatte
verändert und eine photographische Platte bei jeder Druckstufe mit den Interferenzstreifen
belichtet.
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Dieses Verfahren ist sehr umständlich und erfordert ein aufwendiges
Drucksystem, das eine gute Druck-Kontrolle ermUglicht.
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Uberdies ist es schwierig, während der langen Zeit, die erforderlich
ist, um die 10 oder 20 Druckstufen und Belichtungen eu vollziehen, eine unveränderte
Lage der Interferometerplatten zueinander aufrechtzuerhalten.
Eine
präzise Unterteilung des Ordnungsabstandes in äquidistante Teile dürfte unter diesen
Umständen schwer realisierbar sein.
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Bekannt ist ferner das Multiple-wavelengths11-Verfähren nach Herriott.
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Hier wird durch einen Monochromator für mehrere Wellenlängen gleichzeitig
eine Unterteilung des Ordnungsabstandes vorgenommen.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens bedarf es einer komplizierten Anordnung.
Die Zuordnung der Interferenzstreifen ist schwierig. Eine genaue Teilung des Ordnungsabstandes
stößt auf Schwierigkeiten, da als Teilungskriterium die idinzidenz zweier Wellenlangen
verschiedener Interferenzordnung benutzt wird.
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Die Erfindung bezweckt, auf bequeme Weise ohne komplizierten apparativen
Aufwand empfindlichste optische Messungen zur Oberflächenbestimmung und Ebenheitspriifung
insbesondere optischer Flächen zu ermöglichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erzeugung
von Vielstrahlinterferenzen im weißen Licht herzustellen, die außerdem eine präzise,
äquidistante Unterteilung des Ordnungsabstandes der Interferenzstreifen in N Teile
und eine empfindliche und einfache Auswertung der Interferenzerscheinung ermöglicht,
und die -dabei einfach in ihrem Aufbau ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Reihenschaltung
von zwei Interferometern, deren Dicken sich wie r verhalten. Dabei wird das dünnere
der beiden Interferometer von den Prüfflächen gebildet. Die Dicke
g2
des dickeren Interferometers ist grö#er als k.N, #o worin k die gewünschte Me#genauigkeit
darstellt und q q eine reine Zahl ist.
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Zur Erhöhung der Erkennbarkeit der Unterteilung des OrSnungsabstandes
der Interferenzstreifen wird in den Strahlengang ein schmalbandiges Intetferenzfilter
mit der Bandbreite##<2 #o/q geschaltet.
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Die Dicke des einen oder beider Interferometer ist in bekannter Weise
in weiten Grenzen variierbar.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich gegenüber bekannten Lösungen
durch ihren einfachen Aufbau aus.
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Sie gestattet eine sehr einfache uordnung der Interferenzstreifen
auf Grund der Weißlichtinterferenzen und ermöglicht durch die äquidistante Unterteilung
des Ordnungsabstandes, die gut erkennbar ist, eine hohe Genauigkeit bei der Auswertung
von Interferenzaufnahmen.
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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen und anhand
der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt eine Interferenzanordnung nach der Erfindung, bei der
ein Fabry-Perot-Interferometer von N-facher Dicke gegenüber einem Keilinterferometer
ist.
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Fig. 2 dient zur Erläuterung der Wirkung der Anordnung nach Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der das Fabry-Perot-Interferometer
von den Prüfflächen gebildet wird und das Keilinterferometer von N-facher Dicke
gegenüber dem FPI ist.
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Fig. 4 erlautett die Empfindlichkeitssteigerung beim Messen von Luftschichtdicken
mit der Anordnung nach Fig. 3.
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Die in den nachfolgenden Ausführungen verwendeten Zeichen bedeuten:
N Teilung des Ordn-ungsabstandes D Dicke des Fabry-Perot-Interferometers d Dicke
des Keilinterferometers m Interferenzordnung I Intensität der Interferenz erscheinung
x Ort der Interferenzerscheinung Ao Bezugswellenlänge Wellenlänge an der Stelle
X (ganz) (worin k=#o/q Genaulgkeitsoelwert (worth q eine Feine zanl 18@) In der
in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird eine Weißlichtquelle 1 hoher Intensität über
einen Kondensor 2 und eine Blende 3 auf ein Fabry-Perot-Interferometer 4 abgebildet.
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Dabei wird die Blende 3 so gewählt, daß ein Winkelbereich von der
Halbwertsbreite der Airyverteilung des-Fabry-Perot-Interferometers ausgeblendet
wird.
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Das Fabry-Perot-Interferometer 4 befindet sich praktisch am Ort der
Blende 5. Die Blende 5 und das Objektiv 6 werden so gewählt, daß das Keilinterferometer
7 gut ausgeleuchtet ist und gleichzeitig die Tolanskyschen Bedingungen für scharfe
Vielstrahlinterferenzen eingehalten werden. Mit einem abbildenden System 8 kann
das von Interferenzen durchzogene Objekt beobachtet oder photographiert werden.
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Der reelle Luftkei des Keilinterferometers 7 ist in seiner Dicke stetig
variierbar. Dadurch wird erreicht, daß seine mittlere Dicke ein ganzzahliger Bruchteil
N der Fabry-Perot-Dicke wird. Es treten dort Weißlichtinterferenzen
am
Keilort auf, wo die Keildicke 1 der Fabry-Perot-Dicke ist.
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Wird ein Interferenzfilter 9 in den Strahlengang eingeführt, so entstehen
Interferenzstreifen im Abstand in der Nähe des Kontrastmaximums der zugehörigen
Weißlichtinterferenzen.
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Das folgt aus einer Überlegung an Hand von fig. 2.
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Es gilt bei einer Unterteilung in N Teile: m #o + x/N.#o = mX und
damit: #x=#o (1 + x/Nm) Hierbei ist m = (mit d= Keildicke), und es folgt, daß ein
Fabry-PerotSInterferometer mit der Dicke D = genau die gewünschte Unterteilung vollzieht.
Da an den Stellen d = g D jeweils Weißlichtinterferenzen sichtbar sind, 80 hat man
ein empfindliches Kriterium für die Präzision der Teilung in der Hand. Durch die
Wahl der Dicke des Fabry-Perot-Interferometers 4 können die Fehler in der Unterteilung
in vorgebbaren Grenzen gehalten werden.
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Bei der Auswertung der Interferenzaufnahme wird wie üblich bei Interferenzen
gleicher Dicke verfahren, nur da# #/2 durch #/2N zu ersetzen ist, wodurch eine erhebliche
Genauigkeitssteigerung auftritt Erfindungsgemäß kann auch nach Fig. 3 vorgegangen
werden.
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Eine Weißlichtquelle 1 wird mit sinem Kondensor 2 auf eine Blende
3 abgebildet, deren Große die Tolanskyschen Forderungen erfüllt. Ein Objektiv 6
bildet die Blende 3 inB Unendliche ab. Das Fabry-Perot-Interferometer 4 wird durch
die Prüfflächen gebildet. Das folgende Keilinterferometer
7 von
N-facher Dicke untersucht die im FPI 4 durchgelassenen Wellenlängen. Das Keilinterferometer
7 hat das N-fache Auflösungsvermögen und gibt daher ein empfindliches Wellenlängenbild
der Dicke im FPI 4.
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Mit dem abbild enden System 8 kann das Keilinterferometer 7 photographiert
werden.
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Die hohe Empfindlichkeit kann auch anders verstanden werden. Dazu
soll Fig. 4 dienen.
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Hierbei wurde ein einfaches stufenloses Objekt vorausgesetzt.
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Diese Phasendifferenz wird nur im weißen Licht N-mal summiert, da
nur zwischen den gezeichneten Strahlen Weißlichtinterferenzen auftreten Können.
Das Keilinterferenzbild ist also ein Abbild der. Luft schichtdicke zwischen den
Prüfflächen. Dazu muß natürlich vorausgesetzt werden, daß die Keilflächen hinreichend
eben sind, z. B. besser als 1 # Dann werden die Abweichungen der Eeilinterferenzen
nach der Geradheit und Äquidistanz nur noch durch das Fabry-Perot-Interferometer
4 mit der geringeren Dicke bestimmt,