Hallo und Guten Abend,
hier kommt mein erster Teilbericht.
Auf das Tolansky-Verfahren bin ich durch ein EBay-Angebot aufmerksam geworden. "Interferenzkontrast nach Tolansky". Und da ich ja noch ein DIC für mein Amplival suche, mußte ich mir das natürlich ansehen. Schnell war klar: Tolansky ist kein Kontrastverfahren, das Angebot war nicht nur irreführend sondern schlicht falsch beschrieben. Mit der Tolansky-Zusatzeinrichtung baut man aus seinem Mikroskop ein Interferrometer, hier ein Auflicht-Interferrometer. Was macht ein Interferrometer? Es misst Lichtwegunterschiede. Wenn das Licht kohärente Eigenschaften hat, kann es interferrieren. Dazu muss man monochromatisches Licht verwenden, also nicht nur kein DIK, sondern auch noch nicht bunt :-(
Das ergibt typische Muster. Und die Muster tragen die Information, wie groß diese Lichtwegunterschiede sind. Im Allgemeinen nutzte man dieses Verfahren, um Höhenunterschiede auf Werkstücken zu bestimmen, also die Oberflächengüte. Im Gegensatz zu normalen Interferrometern wird bei den mikroskopischen interferrometrischen Verfahren nicht einfach ein Interferrogram ausgewertet, sondern das Interferrogram wird mit dem mikroskopischen Bild überlagert. So kann man visuell direkt jeden Punkt des Bildes mit einem Punkt des Interferrograms verbinden.
Theorie
Stellen wir uns vor, wir schieben ein sehr dünnes Glasplättchen hoher Oberflächengüte zwischen Objektiv und der zu betrachtenden Oberfläche. Bild 1 zeigt so eine Anordnung (bitte verzeiht meine diletantischen Zeichenkünste).
Bild 1 : Objektiv mit paralleler Glasplatte
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures004/173400_45874976.jpg)
Der Kreis darunter soll schematisch das Bild durch das Okular zeigen. Wenn man die Glasplatte parallel zu der Objektivfrontlinse und der Oberfläche einfügt, sieht man : gar nichts. Die reflektierten Lichtstahlen gehen ohne Winkelablenkung und Wegdifferenz wieder senkrecht nach oben. Halt, etwas sieht man doch: da der Ingenieur, der das Objektiv berechnet hat, nicht davon ausgegangen ist, das jemand ein Glasplättchen in den Luftraum einfügt, erhält man (also zumindest ich) ein deutlich schlechteres mikroskopisches Bild.
Nun verkippen wir das Glasplättchen um einen kleinen Winkel, so zwischen 1 und 5 Grad. Das soll in Bild 2 dargestellt werden.
Bild 2 : Objektiv mit schiefer Glasplatte
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures004/173400_1825827.jpg)
Durch den kleinen Winkel wird das Licht gebeugt, es wird unter diesem Winkel reflektiert und trifft wieder auf das Glasplättchen. Ein Teil des Lichtes geht durch das Glasplättchen ins Objektiv. Ein anderer Teil wird erneut reflektiert, trifft wieder auf das Objekt und so weiter. Im Beispiel wird der Lichtweg bei jeder Reflektion von links nach rechts kleiner, dadurch kommen im Objektiv die Strahlen vieler Reflektionen mit unterschiedlichen Laufwegen zur Interferrenz und zeigt entsprechende Figuren. Diese Interferenz ist umso ausgeprägter, desto mehr Reflektionen vom Objektiv aufgenommen werden. Bei hoch reflektierenden Oberflächen sind das so etwa 100 Reflektionen pro Lichtstrahl.
Die Interferenzfiguren bestehen aus parallelen hellen und dunklen Linien, im Okular sieht man ein Streifenmuster. Zwei benachbarte helle oder dunkle Linien werden durch einen Gangunterschied ausgelöst, der genau der halben Wellenlänge entspricht. Der visuelle Abstand hängt vom Winkel ab: kleinerer Winkel, kleinere Steigung, größerer Abstand und anders herum.
Bei einer rauhen Oberfläche oder einem Objekt mit einer Kante/Scharte sieht das wie in Bild 3 aus.
Bild 3 : Objektiv mit schiefer Glasplatte und Oberfläche mit Kante
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures004/173400_7750078.jpg)
An der Kante tritt eine sprunghafte Änderung des Lichtweges auf. Das führt zu einem Versatz in den Interferenzlinien, im Bild 3 durch die roten kurzen Linien dargestellt. Diesen Versatz kann man im Bild direkt ausmessen, als Pixel oder mit dem Lineal in mm. Und da man den Abstand der ungestörten Linen ja kennt, läßt sich die Tiefe der Kante/des Absatzes berechnen.
Was braucht man dafür?
Bild 4 zeigt eine Auflicht-Zusatzeinrichtung nach Tolansky von Zeiss-Jena.
Bild 4 : Die Tolansky-Einrichtung
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures004/173400_49317752.jpg)
1) ist das Objektiv. CZJ empfiehlt für Tolansky die Planachromaten 6,3 und 12,5. Ab dem 25er wird der Abstand zwischen Objektiv und Objekt so klein, das es nicht mehr für Tolansky zu benutzen ist.
2) Die Tolansky Einrichtung, erlaubt das verkippen des Glasplättchens in zwei unabhängigen Richtungen (einstellen des Streifenabstandes), das Verdrehen senkrecht zur optischen Achse (einstellen der Orientierung der Streifen im Bild) und das Ändern der Höhe, ohne die Fokussierung des Objektivs zu verändern.
3) ist der Objektiv-Träger. Bei CZJ muss dafür der einfache Träger ohne Zentrierung verwendet werden. Die Tolansky Einrichtung ist deutlich dicker als ein Auflichtkondensor und kann nicht über die Zentriervorrichtung geschraubt werden.
4) ist ein Referenzglasplättchen. Es befindet sich in einer Halterung aus Metall (Kupfer?) und wird unten in die Tolansky Einrichtung geklippst.
5) das ist die eigentliche Plättchenhalterung.
6) Als es CZJ noch gab, konnte man die Glascheiben zum selber einkleben als Ersatzteil/Verbrauchmaterial kaufen.
CZJ hat 4 verschiedene Referenzglasplättchen angeboten. Ein planes Plättchen ohne Verspiegelung, ein planes Plättchen mit 50% Verspiegelung, ein sphärisches Plättchen (Radius 40mm) 50% verspiegelt und unverspiegelt. In der original Anleitung steht, für stark reflektierende Oberflächen sollen die verspiegelten Plättchen genommen werden, für schwach reflektierende die unverspiegelten.
Was sieht man in der Praxis?
Bild 5 zeigt mein Objektmikrometer. Um die eigentliche Skala befindet sich wie üblich ein heller Kreis, ein Ausschnitt dieses Kreises ist hier das Objekt.
Bild 5 : Tolansky-Interferrenz
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures004/173400_8761922.jpg)
Ich habe hier mit einem sphärischen, verspiegelten Glasplättchen gearbeitet. Sphärische Plättchen verursachen keine parallelen Interferenzstreifen, sonder runde (Newtonsche Ringe). Das Glasplättchen wurde mit ganz leichtem Druck auf die Oberfläche aufgesetzt, und zwar im Punkt G.
Was sieht man? Ich habe links die visuelle Skala eingeblendet. Das Bild ist also etwa 600 µm hoch. Ich habe mit grünem Licht, 520 nm gearbeitet. Die Ringe stellen also einen Lichtwegunterschied von 260 nm dar (nm, nicht µm!). Die Abstände nehmen von innen nach außen ab. Das liegt daran, das die Steigung zwischen Kugeltangente und Objektoberfläche immer steiler wird, wenn ich mich vom Aufsetzpunkt entferne. Man sieht weiterhin, dass die Schärfe und Güte des Interferenzbildes mit zunehmender Reflektionsfähigkeit zu nimmt: Der spiegelnde Bogen in der Mitte zeigt deutlich schärfere Linien als die Refektionen am Glasobjektträger selber. Man sieht auch, das die Ringe auf der spiegelnden Fläche zu den Linien auf dem Glas versetzt sind: Der reflektierende Ring ist aufgedampft und daher erhaben. Durch einfaches Messen und Dreisatz kommt man auf einen Lichtwegunterschied von etwa 52 nm. Da das Licht bei der Reflektion den Höhenunterschied runter und wieder rauf laufen muss, ist die Höhe der Kante die Hälfte des Lichtwegunterschiedes. Also ist der Ring auf meinem Objektmikrometer etwa 25 nm dick.
Bild 6 : Tolansky-Interferrenz mit planem Plättchen
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures004/173400_23694519.jpg)
Das nächste Bild zeigt die polierte Oberfläche einer Medaille. Im mikroskopischen Bild ist so gut wie nichts zu sehen. Die Politur sieht gut aus. Das Tolansky-Interferrogramm, hier mit einem verspiegelten planen Plättchen aufgenommen, zeigt eindeutige Schleifspuren. Alle Kratzer verlaufen in der gleichen Orientierung und sind etwa gleich lang. Die Tiefe der Kratzer liegt bei 43 nm, 59 nm und 70 nm.
Bild 7 : Tolansky-Interferrenz an einem "Komposit"
(https://www.mikroskopie-forum.de/pictures004/173400_31951190.jpg)
Auch dieses Bild zeigt die Oberfläche einer Medaille. Das besondere ist, das dort Metall, Kunststoff und Emaille verarbeitet wurde. Im Bild ist ein Metall-Kunststoff Übergang zu sehen. Ich habe das sphärische Plättchen verwendet. Punkt G ist wieder der Aufsetzpunkt der Kugeloberfläche. Auch dieses Bild ist ca. 600 µm hoch. Auffallend ist, das die Kunststoff-Oberfläche so schlecht reflektiert, das gar keine Interferenzmuster entstehen. Im Kästchen A) kann man am Übergang Metall-Kuststoff sehen, das dort keine scharfe Kante vorliegt, sondern eine deutliche Rundung: Die Linien nähern sich langsam an. Bei einer scharfen Kannte/Schneide würden die Linien plötzlich enden. Im Kästchen B) ist ein Schaden an der Metallkannte zu sehen. Weiter links-oberhalb, unter der blauen Skala, sind wieder Schleif- und Polierspuren zu sehen.
So viel für heute. Mein erstes Fazit:
- ein zerbrochenes Glasplättchen
- feste Unterlage erforderlich, bei Elastizität unterhalb des Objektes stellt sich keine Interferenz ein (Danke für die Tisch-Leihgabe)
- mit den unverspiegelten planen Plättchen konnte ich NIE einen Effekt sehen
- auch die verspiegelten planen Plättchen konnten mir bisher nur zwei Bilder liefern, auf hochpolierten Metallflächen, sonst : NIX
- die verspiegelten sphärischen Plättchen funktionieren fast immer oder doch sehr oft
- die unverspiegelte spärischen sind nicht ganz so gut
- ein mühseliges Geschäft
Schöne Grüße
Carsten
Zitat von: Carsten Wieczorrek in Juni 22, 2015, 22:39:49 NACHMITTAGS
.....
So viel für heute. Mein erstes Fazit:
....
- feste Unterlage erforderlich, bei Elastizität unterhalb des Objektes stellt sich keine Interferenz ein (Danke für die Tisch-Leihgabe)
- mit den unverspiegelten planen Plättchen konnte ich NIE einen Effekt sehen
- auch die verspiegelten planen Plättchen konnten mir bisher nur zwei Bilder liefern, auf hochpolierten Metallflächen, sonst : NIX
.....
Lieber Carsten,
danke für Deinen interessanten ersten Tolansky!
Zwei Fragen zum Fazit:
-Die Oberflächen von Probe und Vergleichsplättchen waren absolut sauber? Ich hatte das Problem des höheren Anpressdrucks nie gehabt; für die Interferenzstreifen reichte ein lockeres Aufsetzen aus. Ein höherer Druck an einer elastischen Probe würde ja auch zu Messverfälschungen führen.
- Du hast die planen Plättchen an gewölbten Proben eingesetzt? Plan auf plan wäre mittels der "groben" Neigeverstellung nicht ratsam.
Viele Grüße
Frank
Hallo,
@Frank
Zitat-Die Oberflächen von Probe und Vergleichsplättchen waren absolut sauber? Ich hatte das Problem des höheren Anpressdrucks nie gehabt; für die Interferenzstreifen reichte ein lockeres Aufsetzen aus.
Was ist absolut sauber? Einen Reinraum habe ich nicht, aber ich habe Probe und Plättchen gereinigt und mit Optik-Pressluft (wohl besser Propan/Butan) abgeblasen. Du hattest nie Probleme? Welche Art von Proben hast Du denn beobachtet? Bei den sphärischen Plättchen habe ich ja auch keine Probleme.
ZitatEin höherer Druck an einer elastischen Probe würde ja auch zu Messverfälschungen führen.
Sicher, mein früheres Problem war aber nicht, das die Probe elastisch war, sondern der Objektträger, auf dem die Probe lag. Bis zum Bruch...
ZitatDu hast die planen Plättchen an gewölbten Proben eingesetzt? Plan auf plan wäre mittels der "groben" Neigeverstellung nicht ratsam.
Nö, da hat mir das nötige Wissen und Deine Erfahrung gefehlt. Ich habe halt alles ausprobiert. Planes Referenzglas auf gewölbte Probe und gewölbtes Referenzglas auf plane Probe macht im Nachhinein natürlich Sinn. Bei planem-Plättchen-auf-planer-Probe ist mir ja auch das eine Gläschen zerbröselt.
Im Nachhinein ist mir auch klar, das mir Bild 6 nur gelungen ist, weil die Medaillen-Oberfläche eben NICHT völlig plan ggeschliffen war, was man an den gebogenen Streifen des planen Referenzplättchens sehen kann.
Mein Dealer hat noch 8 Sets, vielleicht schlage ich nochmal zu ;D
Carsten
Zitat von: Carsten Wieczorrek in Juni 23, 2015, 22:38:42 NACHMITTAGS
... Bei planem-Plättchen-auf-planer-Probe ist mir ja auch das eine Gläschen zerbröselt......
Gut, dann ist ja jetzt klar woran es lag.
Weiterhin viel Erfolg .... bin auf Deinen 2. Teil gaspannt.
Frank
Nachtrag: Natürlich ist Plan auf Plan möglich. Je ungenauer aber hier die Ausrichtung der Bezugsfläche zum Prüfling ist, also je größer der Keilwinkel wird, desto enger liegen die Streifen beieinander ... bis dann kein Muster mehr sichtbar ist.
Zweiter Nachtrag: Solch ein Interesse muss gefördert werden! Bist Du an dem Buch von H.Beyer "Theorie und Praxis der Interferenzmikroskopie" interessiert? Ich könnte Dir einen 100%igen Auszug ;) kostenlos zuschicken.
@Frank
Klares jein!
Neue Informationen lesen immer gerne.
Aber ich habe mir vor ein paar Wochen "G. C. Mönch, Interferenzlängenmessung und Brechzahlbestimmung" für 12 Silberlinge gekauft.
Reiner Zufall, ich habe es bei Ebay gesehen. Auf dem Titelbild ist eine CIE-Normfarbkarte zu sehen, und als Farbwissenschaftler musste ich das einfach haben.
Neu. Ungelesen. Original verpackt. 1970 hat man das mit braunem Packpapier gemacht. Und da man da nicht durchsehen kann, mit Bleistift draufgeschrieben, was drin ist ;D.
Danke für das Angebot, als PDF oder etc gerne.
Carsten
Hallo Carsten!
Sehr informativ dein Beitrag. Ich bin schon gespannt auf deinen nächsten Teil.
Schönen Gruß
Walter