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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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W
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.