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Procédé et dispositif pour le mesurage optique de l'épaisseur de couches transparentes, Demande de brevetdéposée en Allemagne le 6 juin 1939
Le mesurage optique de couches transparentes d'épaisseur de l'ordre des couches utilisées communément comme supports pour films photographiques se faisait jusqu'ici par épreuves improvi- sées,avec l'aide d'un micromètre ou d'un instrument semblable.Ce procédé présente divers défauts.D'une part,on ne peut éviter qu'aux endroits où l'épreuve est effectuée, la couche soit déformée par la pression de l'instrument de mesure et d'autre part ,on ne peut effectuer des mesures,par ce procédé,que si la couche est immobile.De plus ,ce procédé a encore le défaut que pour les films qui,par sui te de leur grande largeur,
ne peuvent être mesurés à partir dubord snr toute leur largeur par les instruments connus,il faut découper les endroits destinés aux mesures.Enfin, un autre défaut est que,avec les instruments connus,le film doit se trouver à un endroitbien déterminé de l'instrument pour ef- fectuer le mesurage.
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Ces défauts sont évi tes par la présente invention.
Le procédé conforme à l'invention consiste en ce que l'on projette sur la couche transparente à mesurer un faisceau luni neux dont la composition spectrale comprend toutes les couleurs visibles;ce faisceau étant réfléchi à la face antérieure età la face postérieure de cette couche, en ce que le faisceau lumineux réfléchi est décomposé spectralement et en ce que le nombre des endroits d'extinction (raies ou bandes d'interférence) se présentant de ce fait dans un champ déterminé de longueur d'ondes sert de base pour la mesure de l'épaisseur de la couche.On se base sur la formule:
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D est l'épaisseur de couche à mesurer,
P est le nombre de raies ou bandes d'extinction apparaissant dans l'image de mesure,
1 et s sont respectivement la limite inférieure et la limi- te supérieure du champ de longueurs d'ondes dans lequel sont comptées les raies ou bandes d'extinction, n est l'indice de réfraction de la couche à mesurer, est l'angle d'incidence du faisceau lumineux projeté sur la couche.
De cette formule,il ressort que le nombre P des bandes obscures dépend de l'angle ,sous lequel le faisceau lumineux tombe sur la couche à mesurer. Si le nombre de bandes obscures doit être pratiquement indépendant,dans le spectre d'analyse,de l'angle d'incidence choisi,on fait tomber autant que possible le faisceau d'éclairage verticalement sur la couche à mesurer.On peut aussi choisir une incidence,mais cette incidence, vis-à-vis de la direction verticale,est nuisible en ce sens que,pcur une telle incidence,il n' y a pratiquement que la face antérieure de
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la couche qui réfléchisse la lumière.Il s'en suitune image con- fuse de mesurage.
Dans la réalisation pratique de l'objetde l'invention,il fautveiller également aux choix de l'ouverture du faisceau d' éclairage et/ou réfléchi, ainsi qu'il est connu en ce qui concer- ne les dispositifs employant l'interférence à d'autres buts.Par le choix d'une incidence angulaire ou perpendiculaire,on est ce- pendant indépendant ,dans de grandes limites,de la grandeur de cette ouverture.
Au point de vue de la technique du mesurage,il est particu- lièrement avantageux de choisir l'ouverture du faisceau de me- surage plus grande que celle du. faisceau d'éclairage,ou inverse- ment.On est ainsi largement indépendant de modifications de la position relative entre la couche à mesurer et l'instrument de mesure.Par position relative entre la couche àmesurer et l'ins- trament de mesure,on entend ici aussi bien la distance que la position angulaire de la couche par rapport à l'instrument.Pour limiter l'ouverture,on peut employer des diaphragmes iris connus, des volets ou fentes déplaçagles ou tous autres moyens agissant cornue diaphragmes, Comme il ressort de la formule ci-dessus,
le décompte desbandes obscures est à faire dans un champ déterminé connu de longueurs d'ondes.La limitation du champ de longueurs d'ondes peut se faire de diverses manières.Ainsi par exemple,il est possible de fixer les limites du champ de longueurs d'ondes connues dans lequel se fera le décompte,par deuxlignes spectrales émises par une source lumineuse séparée.A cet effet, la lumière de cette source lumineuse spéciale est réflétée dans le faisceau d'éclai- rage ou le faisceau lumineux réfléchi de telle sorte que les deux lignes spectrales apparaissent dans le champ de mesurage.
La limitation du champ de longueurs d'ondes peut également être donnée par la largeur du spectre continu provenant de la source
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de lumière d'éclairage.Il est cependant également possible de ré- aliser la. limitation du champ de longueurs d'ondes par des fil- tres d'arrêt,c'est-à-dire des filtres de couleur, qui ne laissent passer qu'un champ déterminé du spectre.
Il est spécialement avan- tageux de déterminer la limitation du champ de longueurs d'ondes par des diaphragmes,par exemple des diaphragmes de champ de vi- sion disposés à l'endroit du spectre et le cas échéant déplaça- blcs.Le décompte des bandes obscures peut être effectué à l'aide d'une plaque transparente de comparaison,située à l'endroit du spectre.On peut cependant aussi opérer de manière à obtenir par moyens optiques dans le champ de ision de l'oculaire,une image réelle ou virtuelle de la plaque de comparaison.
La plaque de com- paraison même se compose d'un'support transparent avec bandes ab- sorbant la lumière,disposées de préférence suivant la mme ré- partition que lesandeh d'interférence dans le spectre de mesura- ge.On établit un certain nombe de plaques de comparaison de ma- nière è posséder des plaques adaptées aux différentes épaisseurs de couches à mesurer et aux nombres différents de bandes obscu- res qui en résultent. Si les plaques de comparaison sont pourvues d'un nombre de bandes égal au nombre de raies obscures que com- porte le spectre,on peut déterminer directement l'épaissaumr de ' la couche.Chaque plaque de comparaison même peut d'ailleurs être équipée d'une indication relative à l'épaisseur de couche.
Si tou- tes les bandes de la plaque de comparaison et les bandes obscu- res du spectre ne correspondent pas,il se produit l'effet connu en technique sous le nom de "coïncidence d'oscillations" ou de battement" c'est-à-dire qu'il se produit, à intervalles détermi- nés, des coincidences et des non-coïncidences entre les bandes de la plaque de comparaison et les'bandes obscures du spectre. Le nom- bre des coïncidences ou des non-coïncidences est une base de me- sure pour la détermination de la différence entre l'épaisseur de couche à mesurer etune épaisseur théorique fixée.
Pour l'analyse spectrale de la lumière réfléchie, on emploie
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avantageusement un prisme ou spectroscope à vision directe ou un prisme d'Amici.De préférence,on choisit un prisme à vision directe dans le champ de la plus grande sensibilité spectrale de 1' oeil,donc de 5500 A, -Or.
peut de toute façon employer un autre prisme,mais un prisme à vision directe est particulièrement avantageux parce que son déplacement en direction axiale peut être utilisé à modifier le champ de mesurage.On peut alors toujours travailler avec une seule et même plaque de comparaison.Celle-ci est au reste de préférence montée ajustable dans l'instrument.Cor- me plaque de comparaison,on peut par exemple prendre un système photographique de bandes obscures (bandes d'interférence)ou également un/support de verre à rayures.
On peut cependant aussi faire réfléchir dans le champ de mesorage Un système de bandes d'interférence de sorte que les deux systèmes de bandes d'interférence apparaissent séparément mais avantageusement aussi proches que possible ou en superposition partielle.Le système de bandes de comparaison peutêtre obtenu de la même manière que le système de bandes de mesurage.
Au des in annexé est représenté à titre d'exemple un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention.
L'ensemble de formation du faisceau d'éclairage se compose de la source lumineuse I,de la lentille 2 et du diaphragme d'ouvertare 3.La lentille 2 concentre,par un miroir 4,la lumière sur la couche 5 à mesurer. La lumière réfléchie est reçue par la len- tille 6 et estconcentrée Sur la fente 7. L'objectif 8 développe
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1C,Y13 le plan 9,au travers du prisme 10 à vision ài,ccte,=# spectre observé au tr.-; rs de l'oculaire II et dansfiequel se trouvent les ;)::111....a ou :"'é.1..':"+:;J ,b¯,e3 --létel+'"'1.i.:1ée par la cùucl1c l'.i, mesurer.
Par l' 0 bSC;l'-r a. t i oü el' v.n spectre trï'e=9ß de nombreuses bandes l'int,,"r:,Ú'l:llê0,il y a avanta:;e 2" emplo:J'e::: -""1 oculaire cylindrique ' 01'tt 1=- :¯Cal,;.11 e=t rJ l.3p Jséc :le b..l1.l.ère à n'obtenir Lln&.'^'r.'"Yl- -IL:! SC' 'eüt '1'..',8 'pe.L'.Qenllc,l2.ir ;:e'"lt aux bandes d'interférence.Dans le plan 9 ou dans le voisinage immédiat,est projeté optiqueement ou mécaniquement le système de bandes de c#nparaison.Dans l'em-
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ple de réalisation,on suppose l'emploi d'une plaque de comparai- son qui alors serait disposée en 12.
Il n'est pas absolument nécessaire d'employer un miroir 4 pour réfléchir le faisceau lumineux d'éclairage.On peut aussi bien utiliser un prisme ou même un miroir semi-transparent qui serait alors de préférence disposé à 45 par rapport à l'axe du faisceau d'éclairage et qui en particulier permet que le fais- ceau lumineux d'éclairage tombe perpendiculairement sur/la couche à mesurer.Enfin,il est également possible de travailler sans dé- viation dù faisceau.
L'invention porte aussi sur le fait d'enregistrer le spectre projeté sur le plan 9 sur une couche sensible à la lumière,avec. ou sans système de bandes de comparaison (plaque de comparaison),
Enfin,l'invention couvre la possibilité d'amener à représen- talion par index les coïncidences entre le système de bandes du spectre et le système de bandes de comparaison, au moyen dunne photocellule et d'un instrument mesureur du courant,étalonné de préférence en pourcentage par rapport à la valeur théorique.
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Method and device for optical measurement of the thickness of transparent layers, Patent application filed in Germany on June 6, 1939
The optical measurement of transparent layers of thickness in the order of the layers commonly used as supports for photographic films has hitherto been done by improvised proofs, with the aid of a micrometer or similar instrument. has various defects: on the one hand, it is only possible to prevent the layer from being deformed by the pressure of the measuring instrument in places where the test is carried out, and on the other hand, it is not possible to take measurements, by this process, only if the layer is stationary. Moreover, this process still has the defect only for films which, due to their great width,
can not be measured from the edge snr their full width by known instruments, it is necessary to cut out the places intended for the measurements.Finally, another defect is that, with known instruments, the film must be in a well determined place of the instrument for carrying out the measurement.
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These defects are avoided by the present invention.
The method according to the invention consists in projecting onto the transparent layer to be measured a luninous beam whose spectral composition comprises all the visible colors; this beam being reflected on the anterior face and on the posterior face of this layer. , in that the reflected light beam is decomposed spectrally and in that the number of extinction locations (lines or interference bands) thus occurring in a determined wavelength field serves as a basis for the measurement the thickness of the layer, based on the formula:
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D is the layer thickness to be measured,
P is the number of extinction lines or bands appearing in the measurement image,
1 and s are respectively the lower limit and the upper limit of the wavelength field in which the extinction lines or bands are counted, n is the refractive index of the layer to be measured, is the angle incidence of the light beam projected on the layer.
From this formula, it emerges that the number P of the dark bands depends on the angle at which the light beam falls on the layer to be measured. If the number of dark bands must be practically independent, in the analysis spectrum, of the angle of incidence chosen, the illumination beam is made to fall as much as possible vertically on the layer to be measured. incidence, but this incidence, vis-à-vis the vertical direction, is detrimental in the sense that, for such an incidence, there is practically only the anterior face of
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the layer that reflects light, resulting in a confused measurement image.
In the practical realization of the object of the invention, attention must also be paid to the choice of the opening of the illuminating and / or reflected beam, as is known with regard to devices employing interference to. other purposes. By the choice of an angular or perpendicular incidence, one is however independent, within large limits, of the size of this opening.
From the point of view of the measuring technique, it is particularly advantageous to choose the aperture of the measuring beam larger than that of. illumination beam, or vice versa. We are thus largely independent of changes in the relative position between the layer to be measured and the measuring instrument. By relative position between the layer to be measured and the measuring instrument, we are here means both the distance and the angular position of the layer relative to the instrument.To limit the opening, one can use known iris diaphragms, movable flaps or slits or any other means acting retort diaphragms. of the above formula,
the counting of the dark bands is to be done in a determined known field of wavelengths. The limitation of the wavelength field can be done in various ways. Thus for example, it is possible to fix the limits of the field of lengths d 'known waves in which the counting will take place, by two spectral lines emitted by a separate light source. For this purpose, the light from this special light source is reflected in the illuminating beam or the reflected light beam so that both spectral lines appear in the measurement field.
The limitation of the wavelength field can also be given by the width of the continuous spectrum coming from the source
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illumination light.However, it is also possible to realize the. limitation of the wavelength field by stop filters, that is to say color filters, which only allow a specific field of the spectrum to pass.
It is especially advantageous to determine the limitation of the wavelength field by diaphragms, for example field-of-view diaphragms arranged at the location of the spectrum and if necessary displaceable. obscures can be performed using a transparent comparison plate, located at the location of the spectrum. However, it is also possible to operate so as to obtain by optical means in the field of view of the eyepiece, a real image or virtual comparison plate.
The comparison plate itself consists of a transparent support with light-absorbing bands, preferably arranged in the same distribution as the interference bands in the measurement spectrum. A certain number is established. comparison plates in order to have plates adapted to the different thicknesses of the layers to be measured and to the different numbers of dark bands which result therefrom. If the comparison plates are provided with a number of bands equal to the number of dark lines in the spectrum, the thickness of the layer can be determined directly. Each comparison plate itself can, moreover, be equipped with 'an indication of the layer thickness.
If all the bands of the comparison plate and the dark bands of the spectrum do not match, the effect known in the art as "oscillation coincidence" or beat "occurs. that is, coincidences and non-coincidences occur at fixed intervals between the bands of the comparison plate and the dark bands of the spectrum. The number of coincidences or non-coincidences is a measuring base for determining the difference between the layer thickness to be measured and a fixed theoretical thickness.
For the spectral analysis of the reflected light, we use
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advantageously a direct vision prism or spectroscope or an Amici prism. Preferably, a direct vision prism is chosen in the field of the greatest spectral sensitivity of the eye, therefore of 5500 A, -Or.
can use another prism anyway, but a direct-view prism is particularly advantageous because its displacement in the axial direction can be used to change the measuring field, so you can always work with one and the same comparison plate. It is moreover preferably mounted adjustable in the instrument. As a comparison plate, one can for example take a photographic system of dark bands (interference bands) or also a striped glass support.
However, it is also possible to cause a system of interference bands to reflect in the measurement field so that the two systems of interference bands appear separately but advantageously as close as possible or in partial superposition. The system of comparison bands can be obtained in the same way as the tape measure system.
In the appended in there is shown by way of example a device making it possible to implement the method of the invention.
The lighting beam forming assembly consists of the light source I, the lens 2 and the aperture diaphragm 3. The lens 2 concentrates, by a mirror 4, the light on the layer 5 to be measured. The reflected light is received by the lens 6 and is concentrated on the slit 7. The objective 8 develops
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1C, Y13 the plane 9, through the prism 10 with vision at i, ccte, = # spectrum observed at the tr.-; rs of eyepiece II and in which are the;) :: 111 .... a or: "'é.1 ..':" + :; J, b¯, e3 --létel + '"' 1. i.:1ée by the cùucl1c l'.i, measure.
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As an embodiment, we assume the use of a comparison plate which would then be arranged at 12.
It is not absolutely necessary to use a mirror 4 to reflect the illuminating light beam. It is also possible to use a prism or even a semi-transparent mirror which would then be preferably arranged at 45 from the axis. of the illumination beam and which in particular allows the illumination light beam to fall perpendicularly on / the layer to be measured. Finally, it is also possible to work without deviation of the beam.
The invention also relates to the fact of recording the spectrum projected on the plane 9 on a light sensitive layer, with. or without a comparison strip system (comparison plate),
Finally, the invention covers the possibility of bringing to index representation the coincidences between the system of spectrum bands and the system of comparison bands, by means of a photocell and of a current measuring instrument, preferably calibrated. as a percentage relative to the theoretical value.