RU2147728C1 - Интерферометрическое устройство для бесконтактного измерения толщины - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим интерферометрам, и может быть использовано для непрерывного бесконтактного измерения геометрической толщины прозрачных и непрозрачных объектов, например листовых материалов (металлопроката, полимерных пленок), деталей сложной формы из мягких материалов, не допускающих контактных измерений (например, поршневых вкладышей для двигателей внутреннего сгорания), эталонных пластин и подложек в оптической и полупроводниковой промышленности и т.д. Изобретение позволяет увеличить точность измерения толщины непрозрачных объектов до долей длины волны используемого света, а также повысить точность измерений в условиях вибраций и акустических шумов. Для этого в интерферометрическое устройство, содержащее источник света (1) с малой длиной когерентности, измерительный интерферометр (2), светоделитель (3) и фотодетектор (9), введены расположенные последовательно, оптически связанные первый световод (4) и первое полупрозрачное зеркало (5), установленные между светоделителем (3) и первой поверхностью измеряемого слоя (6), а также расположенные последовательно, оптически связанные второй световод (7) и второе полупрозрачное зеркало (8), установленные между светоделителем (3) и второй поверхностью измеряемого слоя (6). При этом второй световод (7) оптически связан с первым световодом (4) через светоделитель (3). Первый световод (4) и первое полупрозрачное зеркало (5) ориентированы так, что свет, отраженный от первого полупрозрачного зеркала (5) и от первой поверхности измеряемого слоя (6), возвращается обратно в первый световод (4). Аналогично второй световод (7) и второе полупрозрачное зеркало (8) ориентированы так, что свет, отраженный от второго полупрозрачного зеркала (8) и от второй поверхности измеряемого слоя (6), возвращается обратно во второй световод 7. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике, а именно к оптическим интерферометрам, и может быть использовано для непрерывного бесконтактного дистанционного измерения толщины.

Задача непрерывного бесконтактного измерения толщины возникает при производстве листовых материалов (металлопроката, листового стекла, полимерных пленок), при изготовлении прецизионных деталей сложной формы из мягких материалов, не допускающих контактных измерений (например, поршневых вкладышей для двигателей внутреннего сгорания), в оптической и полупроводниковой промышленности при контроле толщины и плоскопараллельности эталонных пластин и подложек и т. д. При этом высокая точность измерений должна сочетаться с быстродействием, надежностью и во многих случаях устойчивостью к неблагоприятным факторам в зоне измерений, таким как высокая или низкая температура, вибрации, электромагнитные помехи, агрессивное химическое окружение и т.д.

В металлургии и полимерной промышленности для непрерывного бесконтактного контроля толщины непрозрачных материалов используются, как правило, радиометрические методы, в которых измеряется ослабление жесткого рентгеновского или гамма-излучения при прохождении через измеряемый слой. Использование источников жесткого ионизирующего излучения (в большинстве случаев используются радиоизотопные источники) создает ряд серьезных проблем, связанных с экологией производства, безопасностью персонала и т.д. Замена радиометрических методов контроля экологически чистым и безопасным оптическим методом сулила бы большие выгоды для соответствующих производств.

Известно устройство для измерения толщины листовых материалов (заявка Японии N 61-8362, М.кл⁴ G 01 B 11/06, G 01 B 11/00, G 02 B 7/11, публикация 1986 г.), включающее в себя две идентичные проекционные системы с общим источником света, создающие на обоих поверхностях измеряемого слоя идентичные пробные изображения, а также два фотоприемных устройства, с помощью которых измеряется контрастность пробных изображений. Измерение толщины производится путем поиска такого положения объективов проекционных систем, при котором четкость пробных изображений максимальна. Измеряя расстояние между объективами при известных фокусных расстояниях объективов, можно найти толщину измеряемого слоя.

Основным недостатком устройства является недостаточно высокая точность измерения толщины. Сравнительно невысокая точность, намного уступающая точности интерферометрических устройств, является органическим недостатком метода измерения расстояния по оптимальной фокусировке, на котором основан аналог.

Более высокая точность измерений может быть достигнута в интерферометрическом устройстве для бесконтактного измерения толщины, которое используется, в частности, для измерения толщины слоев глазного дна (W.Drexler, Ch.K. Hitzenberger, H. Sattmann, A. F. Fercher. Measurement of the thickness of fundus layers by partial coherence tomography, Optical Engineering, v.34, pp. 701-710 (1995)), которое содержит расположенные последовательно, оптически связанные источник света с малой длиной когерентности, измерительный интерферометр, расщепляющий излучение источника на пару волн с известной разностью хода (в описываемой реализации - интерферометр Майкельсона, включающий 50%-ный светоделитель и два глухих зеркала, а также устройство для измерения создаваемой им разности хода), 50%-ный светоделитель, оптически связанный с измеряемым объектом, и фотоприемник, оптически связанный со светоделителем. Пара волн с известной разностью хода l_e из измерительного интерферометра через светоделитель попадает на измеряемый слой. При отражении от передней и задней поверхностей измеряемого слоя каждая из падающих волн расщепляется на пару волн с разностью хода, равной удвоенному оптическому расстоянию между поверхностями измеряемого слоя 2nd; таким образом, из измеряемого слоя выходят 4 волны. Через 50%-ный светоделитель эти волны попадают на фотоприемник, где смешиваются и образуют интерференционную картину. Если эталонная разность хода l_e и удвоенная оптическая толщина измеряемого слоя 2nd различаются не более, чем на длину когерентности источника света, то волна, испытавшая задержку в измерительном интерферометре и отразившаяся от передней поверхности измеряемого слоя, интерферирует с волной, не испытавшей задержки в измерительном интерферометре и отразившейся от задней поверхности измеряемого слоя; в противном случае интерференция отсутствует. Таким образом, по самому факту появления интерференционной картины оптическая толщина измеряемого слоя может быть измерена с точностью до длины когерентности (при использовании суперлюминесцентных полупроводниковых диодов эта длина составляет 20 - 40 мкм), а по положению интерференционных максимумов можно измерить толщину измеряемого слоя с точностью до малых долей длины волны используемого света. Так как вне измерительного интерферометра и измеряемого слоя все волны идут по одному и тому же пути, вариации оптического расстояния между измерительным интерферометром и измеряемым слоем не влияют на работу устройства.

Основными недостатками прототипа являются невозможность измерения толщины непрозрачных слоев, а также неудовлетворительная точность измерений в промышленных условиях. Первый недостаток связан с тем, что одна из интерферирующих волн (отраженная от задней поверхности измеряемого слоя) должна дважды пройти через измеряемый слой. Второй недостаток обусловлен тем, что измеряемый слой должен находиться в пределах прямой видимости первого светоделителя, т.е. на расстоянии не более нескольких метров от него. Если измеряемый слой находится в условиях высокой или низкой температуры, вибраций, электромагнитных помех и т.п., то устройство также подвергается воздействию этих факторов. Это может ухудшить работу устройства-прототипа или сделать ее невозможной.

Задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются разработка устройства для измерения толщины непрозрачных слоев с точностью до долей длины волны используемого света, а также повышение точности измерений в условиях, когда измеряемый слой или окружающая его среда находятся под воздействием высокой или низкой температуры, вибраций, акустических шумов, сильных электрических и магнитных полей или других факторов, затрудняющих работу прецизионных измерительных устройств.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемое интерферометрическое устройство для бесконтактного измерения толщины так же, как и устройство-прототип, содержит расположенные последовательно, оптически связанные источник света, измерительный интерферометр и светоделитель, а также фотоприемник, входящий в систему регистрации выходного сигнала.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что между светоделителем и первой поверхностью измеряемого слоя введены последовательно расположенные, оптически связанные первый световод и первое полупрозрачное зеркало, ориентированные так, что свет, отраженный от первого полупрозрачного зеркала и первой поверхности измеряемого слоя, направляется обратно в первый световод, между светоделителем и второй поверхностью измеряемого слоя введены последовательно расположенные, оптически связанные второй световод и второе полупрозрачное зеркало, ориентированные так, что свет, отраженный от второго полупрозрачного зеркала и второй поверхности измеряемого слоя, направляется обратно во второй световод, при этом второй световод оптически связан через светоделитель с первым световодом.

Для увеличения контрастности интерференционной картины, наблюдаемой в устройстве, целесообразно ввести между светоделителем и вторым световодом вспомогательный светоделитель, связывающий фотоприемник со вторым световодом.

Для увеличения контрастности и яркости интерференционной картины, наблюдаемой в устройстве, между первым световодом и первым полупрозрачным зеркалом может быть введен первый поляризационный элемент, выполненный и ориентированный так, что поляризация света, поступающего на светоделитель после отражения от первого полупрозрачного зеркала и второй поверхности измеряемого слоя ортогональна поляризации света, поступающего со светоделителя в первый световод, между вторым световодом и вторым полупрозрачным зеркалом может быть введен второй поляризационный элемент, выполненный и ориентированный так, что поляризация света, поступающего на светоделитель после отражения от второго полупрозрачного зеркала и второй поверхности измеряемого слоя ортогональна поляризации света, поступающего со светоделителя во второй световод, при этом в качестве светоделителя должен быть использован поляризационный расщепитель, а фотоприемник должен быть оптически связан со вторым световодом через светоделитель.

В частном случае использования варианта конструкции устройства по п. 3 формулы изобретения в качестве первого и второго поляризационных элементов могут быть использованы четвертьволновые фазовые пластины.

В частном случае использования варианта конструкции по п. 3 формулы изобретения поляризационные элементы могут быть выполнены в виде петель, сформированных из отрезков первого и второго световодов и выполняющих функцию четвертьволновых фазовых пластин.

В частном случае использования варианта конструкции устройства по п. 3 формулы изобретения в качестве поляризационных элементов могут быть использованы 45- градусные фарадеевские вращатели, а первый и второй световоды могут быть выполнены из изотропного оптического волокна.

Для увеличения яркости и контрастности интерференционной картины, наблюдаемой в устройстве, в том случае, когда первый и второй поляризационные элементы не могут быть размещены в непосредственной близости от измеряемого слоя вследствие недостатка места или неблагоприятных условий окружающей среды, между светоделителем и первым световодом может быть дополнительно введен первый поляризационный элемент, выполненный и ориентированный так, что поляризация света, поступающего на светоделитель из первого поляризационного элемента, ортогональна поляризации света, поступающего со светоделителя на первый поляризационый элемент, между светоделителем и вторым световодом может быть дополнительно введен второй поляризационный элемент, выполненный и ориентированный так, что поляризация света, поступающего на светоделитель из второго поляризационного элемента, ортогональна поляризации света, поступающего со светоделителя на второй поляризационный элемент, при этом в качестве светоделителя должен быть использован поляризационный расщепитель, а фотоприемник должен быть оптически связан со вторым световодом через светоделитель.

В частном случае реализации устройства по п.1-7 формулы изобретения в качестве первого и второго полупрозрачных зеркал могут быть использованы торцы первого и второго световодов.

В частном случае реализации устройства по п.1-8 формулы изобретения система регистрации выходного сигнала может содержать селективный усилитель, электрически связанный с фотоприемником, амплитудный детектор, электрически связанный с селективным усилителем, синхронный детектор, первый вход которого электрически связан с выходом амплитудного детектора, генератор модулирующего сигнала, электрически связанный с измерительным интерферометром и со вторым входом синхронного детектора, и схему управления эталонной разностью хода, вход которой электрически связан с выходом синхронного детектора, а выход электрически связан с измерительным интерферометром.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 представлена блок-схема варианта конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.2 формулы изобретения.

На фиг. 3 представлена блок-схема варианта конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.3 формулы изобретения.

На фиг. 4 представлена блок-схема варианта конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.5 формулы изобретения.

На фиг. 5 представлена блок-схема одного из вариантов конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.7 формулы изобретения.

На фиг. 6 представлена блок-схема одного из вариантов конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.9 формулы изобретения.

На фиг. 7 представлена интерферограмма (зависимость освещенности на фотоприемнике от разности разностей хода, возникающих в измерительном интерферометре и в незаполненной части зазора между первым и вторым полупрозрачными зеркалами.

На фиг. 8 представлены осциллограмма разности хода интерферирующих волн и осциллограмма фототока, вырабатываемого фотоприемником в ходе измерения толщины в реализации устройства по п.9 формулы изобретения.

Устройство содержит (см. фиг. 1) расположенные последовательно, оптически связанные источник света 1, эталонный интерферометр 2, светоделитель 3, первый световод 4, первое полупрозрачное зеркало 5, измеряемый слой 6, второй световод 7, второе полупрозрачное зеркало 8, а также систему регистрации полезного сигнала, включающую фотодетектор 9, оптически связанный со вторым световодом 7 через светоделитель 3. Полезным сигналом устройства является выходной сигнал измерительного интерферометра 2, равный создаваемой им разности хода.

В качестве источника света 1 может быть использован суперлюминесцентный диод, светодиод или любой другой излучатель, продольная длина когерентности которого сравнима с длиной волны излучаемого им света.

В качестве измерительного интерферометра 2 может быть использован интерферометр Майкельсона, низкодобротный интерферометр Фабри-Перо, интерферометр Маха-Цендера, поляризационный интерферометр Жамена-Лебедева или любой другой оптический интерферометр, делящий излучение источника на пару волн с перестраиваемой разностью хода и снабженный устройством для ее измерения.

Светоделитель 3 выполняется 50%-ным.

Первый и второй световоды 4 и 7 могут быть выполнены в виде отрезков одномодового оптического волокна в том случае, если необходима высокая (до долей длины волны используемого света) точность измерений, или в виде отрезков многомодового оптического волокна, если высокая точность измерений не требуется. Концы первого и второго отрезков оптического волокна 4 и 7 могут быть снабжены объективами для ввода и вывода оптического излучения (на фиг. 1 не показаны). В тех случаях, когда концы первого и второго световодов 4 и 7 не могут быть приближены к измеряемому слою 6 на расстояние меньше или порядка диаметра сердечника волокна, умноженного на его числовую апертуру (для многомодовых оптических волокон это расстояние составляет 100 - 200 мкм, для одномодовых - по крайней мере на порядок меньше), использование объективов становится обязательным.

Для увеличения точности измерения толщины за счет повышения контрастности интерференционной картины, регистрируемой фотоприемником 9, целесообразно ввести между светоделителем 3 и вторым световодом 7 вспомогательный светоделитель 10, связывающий фотоприемник 9 со вторым световодом 7 (см. фиг. 2). Вспомогательный светоделитель 10, так же, как и светоделитель 3, целесообразно выполнять 50%-м.

Для увеличения точности измерения толщины за счет увеличения яркости и контрастности интерференционной картины, наблюдаемой в устройстве, целесообразно ввести в конструкцию устройства первый и второй поляризационные элементы 11 и 12 (см. фиг. 3). Поляризационный элемент 11 выполнен и ориентирован таким образом, что поляризация света, попадающего на светоделитель 3 из первого световода 4 после отражения от первого полупрозрачного зеркала 4 и первой поверхности измеряемого слоя 6, ортогональна поляризации света, поступающего из светоделителя 3 в первый световод 4. Аналогично, поляризационный элемент 12 выполнен и ориентирован таким образом, что поляризация света, попадающего на светоделитель 3 из второго световода 7 после отражения от второго полупрозрачного зеркала 8 и второй поверхности измеряемого слоя 6, ортогональна поляризации света, поступающего из светоделителя 3 во второй световод 7. При этом светоделитель 3 выполняется в виде поляризационного расщепителя, т. е. оптического элемента, разделяющего луч света на два ортогонально поляризованных луча; состояния поляризации лучей, которые мы будем называть собственными состояниями поляризации расщепителя, определяются только его конструкцией. В качестве поляризационного расщепителя может быть использована, например, пластина Савара (плоскопараллельная пластина из одноосного кристалла, вырезанная под углом к оптической оси) или поляризационная призма Волластона. Состояние поляризации на выходе измерительного интерферометра 2 должно совпадать с тем из собственных состояний поляризации светоделителя 3, которое направляется им на первый световод 4. В ряде случаев первый и второй световоды 4 и 7 целесообразно выполнить в виде отрезков анизотропного оптического волокна.

В частном случае реализации устройства по п.3 формулы изобретения в качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 используются четвертьволновые фазовые пластины, оси которых ориентированы под углом 45 градусов к осям эллипса поляризации света, поступающего на них соответственно из первого и второго световодов 4 и 7.

Для уменьшения потерь света, предотвращения паразитной интерференции за счет отражения от граней первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 и упрощения настройки в частном случае реализации устройства по п.3 формулы изобретения в качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 целесообразно использовать петли, сформированные из отрезков первого и второго световодов 4 и 7 и выполняющие функцию четвертьволновых фазовых пластин (см. фиг. 4).

В случаях, когда измерительную часть устройства, включающую источник света 1, измерительный интерферометр 2, светоделитель 3 и систему регистрации выходного сигнала, необходимо разместить на значительном удалении от измеряемого слоя 6, т.е. при большой длине первого и второго световодов 4 и 7, в варианте конструкции устройства по п.3 формулы изобретения целесообразно использовать в качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 45-градусные фарадеевские вращатели, а первый и второй световоды 4 и 7 выполнить из изотропного одномодового оптического волокна. Это связано с тем, что изотропные оптические волокна значительно дешевле анизотропных, 45-градусные фарадеевские вращатели могут быть выполнены из магнитооптического стекла (при длинах волн короче 1 мкм) или железоиттриевого граната (YIG) (при длинах волн длиннее 1 мкм) на основе постоянных магнитов.

Если условия в зоне измерений (например, недостаток места или высокая температура) не позволяют разместить первый и второй поляризационные элементы 11 и 12 в непосредственной близости от измеряемого слоя 6, целесообразно расположить первый поляризационный элемент 11 между светоделителем 3 и первым световодом 4, а второй поляризационный элемент 12 - между светоделителем 3 и вторым световодом 7 (см. фиг. 5). В качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 могут быть использованы 45-градусные фарадеевские вращатели, при этом первый и второй световоды 4 и 7 должны быть выполнены из анизотропного оптического волокна с линейной собственной поляризацией, например, из волокна типа PANDA, оси анизотропии которого следует ориентировать под углом в 45 градусов по отношению к поляризации излучения, поступающего со светоделителя 3.

Кроме того, в качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 можно использовать также четвертьволновые фазовые пластины, оси каждой из которых ориентированы под углом в 45 градусов по отношению к поляризации излучения, попадающего на нее со светоделителя 3, при этом первый и второй световоды 4 и 7 должны быть выполнены из оптического волокна с круговой собственной поляризацией, например, из крученого оптического волокна.

В ряде случаев, например, если концы первого и второго световодов 4 и 7 располагаются на расстоянии менее миллиметра от измеряемого слоя, целесообразно в качестве первого и второго полупрозрачных зеркал 5 и 8 использовать торцы первого и второго световодов 4 и 7.

В частном случае реализации устройства (см. фиг. 6) система регистрации выходного сигнала может содержать селективный усилитель 13, электрически связанный с фотоприемником 9, амплитудный детектор 14, электрически связанный с селективным усилителем 13, синхронный детектор 15, первый вход которого электрически связан с выходом амплитудного детектора 14, генератор модулирующего сигнала 16, электрически связанный с измерительным интерферометром 2 и со вторым входом синхронного детектора 15, и схема управления эталонной разностью хода 17, вход которой электрически связан с выходом синхронного детектора 15, а выход электрически связан с измерительным интерферометром 2.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). Источник света 1 излучает свет с центральной длиной волны λ и с продольной длиной когерентности l_coh. Измерительный интерферометр 2 расщепляет излучение источника света 1 на пару волн с известной управляемой разностью хода l_e, которую мы будем называть эталонной разностью хода. Через светоделитель 3 и первый световод 4 эти волны попадают на первое полупрозрачное зеркало 5 и на первую поверхность измеряемого слоя 6. Благодаря тому, что в конструкцию устройства введен первый световод 4, установленный и ориентированный так, как указано в формуле изобретения, светоделитель 3, первое полупрозрачное зеркало 5 и измеряемый слой 6 оказываются оптически связанными друг с другом даже в том случае, если они находятся вне пределов прямой видимости друг друга. Благодаря тому, что между первым световодом 4 и измеряемым слоем 6 находится первое полупрозрачное зеркало 5, при отражении от него и от первой поверхности измеряемого слоя 6 каждая из волн, выходящих из первого световода, расщепляется на пару волн с разностью хода 2d₁, где d₁ - расстояние между первым полупрозрачным зеркалом 5 и первой поверхностью измеряемого слоя 6. Далее через первый световод 4 эти волны попадают на светоделитель 3. Так как второй световод 7 оптически связан через светоделитель 3 с первым световодом 4, эти волны попадают во второй световод 7 и через него - на второе полупрозрачное зеркало 8 и вторую поверхность измеряемого слоя 6. Благодаря тому, что в конструкцию устройства введен второй световод 7, установленный и ориентированный так, как указано в формуле изобретения, первое полупрозрачное зеркало 5 и первая поверхность измеряемого слоя 6 оказываются оптически связанными со вторым полупрозрачным зеркалом 8 и второй поверхностью измеряемого слоя 6 даже в том случае, если измеряемый слой 6 непрозрачен. Поскольку между вторым световодом 7 и второй поверхностью измеряемого слоя 6 введено второе полупрозрачное зеркало 8, при отражении от него и от второй поверхности измеряемого слоя 6 каждая из выходящих из второго световода 7 волн расщепляется на пару волн с разностью хода 2d₂, где d₂ - расстояние между вторым полупрозрачным зеркалом 8 и второй поверхностью измеряемого слоя 6. Все волны, отраженные от второго полупрозрачного зеркала 8 и второй поверхности измеряемого слоя 6 (всего 8 волн), направляются вторым световодом 7 на светоделитель 3 и далее на фотоприемник 9. Оптические пути, пройденные этими волнами, записываются следующим образом:
L, (1)
L+2d₁, (2)
L+2d₂, (3)
L+2(d₁+d₂), (4)
L+l_e, (5)
L+2d₁+l_e, (6)
L+2d₂+l_e, (7)
L+2(d₁+d₂)+l_e, (8)
где L - оптическая длина общего для всех волн пути, который включает в себя, во-первых, отрезок от измерительного интерферометра 2 до первого полупрозрачного зеркала 5, во-вторых, отрезок от первого полупрозрачного зеркала 5 до второго полупрозрачного зеркала 8, и, в-третьих, отрезок от второго полупрозрачного зеркала 8 до фотоприемника 9. Как и в прототипе, в предлагаемом устройстве интерференционный сигнал не зависит от оптической длины общего пути L.

В наиболее простом и практически важном случае, когда толщина d измеряемого слоя 6 и расстояния d₁, d₂ больше, чем длина когерентности l_coh источника света 1, достаточно рассмотреть интерференцию только двух волн: (4) и (5). Эти волны интерферируют только в том случае, если

. (9)
Интерференционный сигнал, создаваемый этими волнами (зависимость освещенности на фотоприемнике 9 от эталонной разности хода l_e), показан на фиг. 7. Интерференционные максимумы ("высокочастотное заполнение") следуют с периодом λ; вид "огибающей" определяется функцией когерентности источника света 1. Самый высокий интерференционный максимум наблюдается при
l_e=2(d₁+d₂). (10)
Таким образом, при настройке на центральный интерференционный максимум (10) полезный сигнал устройства (выходной сигнал измерительного интерферометра 2) оказывается равным 2(d₁ + d₂). Измерив d₁+d₂ и зная расстояние D между первым и вторым полупрозрачными зеркалами 5 и 8, можно найти искомую толщину d измеряемого слоя 6
d=D-(d₁+d₂). (11)
В отсутствие измеряемого слоя 6 устройство позволяет измерить расстояние D между первым и вторым полупрозрачными зеркалами 5 и 8.

Благодаря тому, что в конструкцию устройства введены первый и второй световоды 4 и 7, а также первое и второе полупрозрачные зеркала 5 и 8, ориентированные так, как указано в формуле изобретения, устройство может использоваться для измерения толщины непрозрачных слоев, так как толщина измеряемого слоя 6 измеряется не непосредственно, как в прототипе, а по толщине незаполненного промежутка между первым и вторым полупрозрачными зеркалами 5 и 8; при этом не имеет значения, прозрачен измеряемый слой 6 или нет, а важно лишь, чтобы его поверхности отражали свет.

Благодаря тому, что в схему устройства введены первый и второй световоды 4 и 7, ориентированные так, как указано в формуле изобретения, оптическая связь между измерительным интерферометром 2 и фотоприемником 9, с одной стороны, и измеряемым слоем 6, с другой стороны, обеспечивается даже в том случае, если они находятся вне пределов прямой видимости друг друга. Это позволяет разместить прецизионные оптические, механические и электронные элементы устройства (источник света 1, измерительный интерферометр 2 и систему регистрации полезного сигнала, включающую фотоприемник 9) на значительном расстоянии (до нескольких километров) от измеряемого слоя 6, и таким образом надежно изолировать их от неблагоприятных условий в зоне измерений, таких как экстремальные температуры, акустические шумы, вибрации, электромагнитные наводки и т.д. и тем самым повысить точность измерений в промышленных условиях.

Более высокая точность измерения толщины может быть достигнута в варианте конструкции устройства, описанном в п.2 формулы изобретения (см. фиг. 2). Благодаря тому, что в конструкцию устройства дополнительно введен вспомогательный светоделитель 10, связывающий второй световод 7 с фотоприемником 9, на фотоприемник 9 попадают только волны, отраженные сначала от первого полупрозрачного зеркала 5 и первой поверхности измеряемого слоя 6, а затем от второго полупрозрачного зеркала 8 и второй поверхности измеряемого слоя 6 отраженные от второго полупрозрачного зеркала 9 и второй поверхности измеряемого слоя 6. Благодаря этому контрастность интерференционной картины, регистрируемой фотоприемником 9, выше, чем в устройстве по п.1, в котором на фотоприемник 9 напрямую попадает свет, выходящий из измерительного интерферометра 2 и не участвующий в формировании интерференционной картины.

Еще более высокая точность измерения толщины может быть достигнута в варианте конструкции устройства, описанном в п.3 формулы изобретения (см. фиг. 3). Этот вариант конструкции устройства работает следующим образом. Благодаря тому, что светоделитель 3 выполнен в виде поляризационного расщепителя, а состояние поляризации на выходе измерительного интерферометра 2 совпадает с собственным состоянием поляризации светоделителя 3, вся световая мощность с измерительного интерферометра 2 попадает в первый световод 4. Благодаря тому, что в конструкцию устройства введен первый поляризационный элемент 11, выполненный и ориентированный так, как указано в формуле изобретения, поляризация излучения, выходящего из первого световода 4 после отражения от первого полупрозрачного зеркала 5 и первой поверхности измеряемого слоя 6, ортогональна поляризации света на входе первого световода 4. Это состояние поляризации также является собственным для светоделителя 3, поэтому вся световая мощность, попадающая на светоделитель 3 из первого световода 4, направляется во второй световод 7. Благодаря тому, что в конструкцию устройства введен второй поляризационный элемент 12, выполненный и ориентированный так, как указано в формуле изобретения, излучение, попадающее из второго световода 7 на светоделитель 3, поляризовано ортогонально поляризации света, попадающего во второй световод 7 из светоделителя 3. Это состояние поляризации совпадает с исходным и является собственным для светоделителя 3, поэтому вся световая мощность, поступающая на светоделитель 3 из второго световода 7, направляется светоделителем 3 на фотоприемник 9. Таким образом, как и в варианте устройства по п.2 формулы изобретения, на фотоприемник попадают только волны, участвующие в формировании интерференционной картины, однако в описываемом варианте устройства интерференционная картина имеет в 16 раз большую яркость за счет устранения потерь света в светоделителях. Это дает возможность повысить точности измерений.

В частном случае реализации устройства по п.3 формулы изобретения в качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 могут быть использованы четвертьволновые фазовые пластины. В этом случае первый и второй световоды 4 и 7 целесообразно изготовить из анизотропного оптического волокна с линейной анизотропией (например, из волокна типа PANDA). Оси четвертьволновых пластин должны быть ориентированы под углом в 45 градусов по отношению к оптическим осям первого и второго световодов 4 и 7, а те, в свою очередь, должны быть ориентированы параллельно собственным состояниям поляризации светоделителя 3, которые должны быть линейными. В этом случае излучение, попадающее в первый и второй световоды 4 и 7 из светоделителя 3, оказывается поляризованным вдоль их оптических осей, вследствие чего поляризация света при распространении по первому и второму световодам 4 и 7 остается неизменной. Таким образом, на четвертьволновые пластины 11 и 12 попадает излучение, поляризованное линейно под углом в 45 градусов к осям последних. При такой входной поляризации в результате двукратного прохождении (туда-обратно) света через четвертьволновую пластину поляризация поворачивается на 90 градусов, оставаясь при этом линейной. Таким образом, поляризация света, возвращаемого в первый и второй световоды 4 и 7 четвертьволновыми пластинами 11 и 12, оказывается ортогональной оптическим осям первого и второго световодов 4 и 7. При распространении по первому и второму световодам 4 и 7 эта поляризация остается неизменной. В итоге поляризация света, поступающего из первого или второго световодов 4 и 7 на светоделитель 3, оказывается ортогональной исходной поляризации. Таким образом, четвертьволновые фазовые пластины в сочетании со световодами, выполненными из анизотропного оптического волокна с линейной анизотропией, могут служить в качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12.

Для уменьшения потерь света, предотвращения паразитной интерференции за счет отражения от граней первого и второго поляризационных элементов 11 и 12, и упрощения настройки устройства первый и второй поляризационные элементы 11 и 12 могут быть выполнены в виде петель, сформированных из отрезков первого и второго световодов 4 и 7 и выполняющих функцию четвертьволновых фазовых пластин. За счет изгиба в петле возникает дополнительная фазовая анизотропия, так что волоконная петля действительно может служить в качестве фазовой пластины. При использовании элементов, сформированных из отрезков первого и второго световодов 4 и 7, исключаются потери света и паразитная интерференция, а также упрощается настройка устройства за счет уменьшения числа степеней свободы: у дискретного элемента их 3, a у волоконно-оптического всего 1.

При необходимости значительного удаления измерительной части устройства, включающей источник света 1, измерительный интерферометр 2, светоделитель 3 и систему регистрации выходного сигнала, от измеряемого слоя 6, т.е. при большой длине первого и второго световодов 4 и 7, целесообразно использовать в качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 45-градусные фарадеевские вращатели, а первый и второй отрезки оптического волокна выполнить из изотропного одномодового оптического волокна, которое существенно дешевле, чем анизотропное. Известно, что поляризация на выходе системы, состоящей из отрезка изотропного волокна произвольной длины, 45-градусного фарадеевского вращателя и возвращающего зеркала, всегда ортогональна входной поляризации (В.М.Геликонов, Д.Д.Гусовский, В.И.Леонов, М.А.Новиков. Компенсация двупреломления в одномодовых оптических волокнах. Письма в ЖТФ, т. 13, С.775-779 (1987)).

В тех случаях, когда первый и второй поляризационные элементы 11 и 12 не могут быть размещены в непосредственной близости от измеряемого слоя 6 (например, из-за недостатка места или неблагоприятных условий окружающей среды, таких как высокая температура), целесообразно расположить первый поляризационный элемент 11 между светоделителем 3 и первым световодом 4, а второй поляризационный элемент 12 - между светоделителем 3 и вторым световодом 7. В качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 могут быть использованы 45-градусные фарадеевские вращатели, а первый и второй световоды 4 и 7 могут быть выполнены из анизотропных оптических волокон с линейной анизотропией (типа PANDA) (см. фиг. 5). При прохождении через 45-градусный фарадеевский вращатель поляризация света поворачивается на угол в 45 градусов и становится параллельной одной из осей анизотропии световода. При обратном прохождении света через 45-градусный фарадеевский вращатель поляризация поворачивается еще на 45 градусов в ту же сторону: таким образом, поляризация на выходе поляризационного элемента оказывается ортогональной исходной, что и требуется.

То же самое достигается и в том случае, если в качестве первого и второго поляризационных элементов 11 и 12 использовать четвертьволновые фазовые пластины, оси каждой из которых ориентированы под углом в 45 градусов по отношению к поляризации света, поступающего на нее со светоделителя 3, а первый и второй световоды 4 и 7 выполнить из оптического волокна с циркулярной анизотропией, например, из крученого оптического волокна. Четвертьволновая пластина преобразует линейно поляризованный свет, попадающий на нее со светоделителя 3, в циркулярно поляризованный. Поскольку при распространении по волокну с циркулярной анизотропией поляризация циркулярно поляризованного света сохраняется, из световода на четвертьволновую пластину попадает циркулярно поляризованное излучение с направлением вращения, противоположным исходному. Четвертьволновая пластина преобразует это излучение в линейно поляризованное, поляризация которого ортогональна исходной.

В частном случае реализации устройства, когда в систему регистрации введены селективный усилитель 13, амплитудный детектор 14, синхронный детектор 15, генератор модулирующего сигнала 16 и схема управления 17 эталонной разностью хода (см. фиг. 6), измерение толщины измеряемого слоя 6 осуществляется следующим образом. Генератор модулирующего сигнала 16 обеспечивает пилообразную модуляцию эталонной разности хода l_e в измерительном интерферометре 2 (см. фиг. 8). Интерференционный сигнал, вырабатываемый фотоприемником 9 в процессе измерения толщины (его вид показан на фиг. 8), поступает на селективный усилитель 13, настроенный на частоту интерференционных колебаний фототока

, (12)
где l_м - амплитуда модуляции оптического пути, f_м - частота модуляции. Амплитудный детектор 14 выделяет огибающую интерференционных колебаний освещенности на фотоприемнике 9. Продетектированный интерференционный сигнал с выхода амплитудного детектора 14 поступает на вход синхронного детектора 15, который выделяет из него первую гармонику частоты модуляции f_м. Выходной сигнал синхронного детектора 15, пропорциональный этой первой гармонике, поступает на схему управления 17 эталонной разностью хода. Так как интерференционный сигнал симметричен относительно центрального интерференционного максимума, то при точной настройке интерферометра
l_e ⁰ = 2(d₁+d₂) (13)
(l_e ⁰ - среднее значение эталонной разности хода) первая гармоника частоты модуляции в Фурье-спектре фототока равна нулю. В случае нарушения равенства (13) в Фурье-спектре фототока появляются нечетные гармоники частоты модуляции, которые выделяются синхронным детектором 15, выходной сигнал которого служит сигналом ошибки для схемы 17 управления эталонной разностью хода, которая перестраивает l_e ⁰ таким образом, чтобы обратить первую гармонику колебаний фототока в нуль, т.е. чтобы восстановить равенство (13). Таким образом, среднее значение эталонной разности хода поддерживается равным толщине незаполненного промежутка между полупрозрачными зеркалами 5 и 8. Отсюда, зная расстояние между полупрозрачными зеркалами 5 и 8, можно найти толщину измеряемого слоя 6.

В конкретной реализации устройства в качестве источника света 1 используется суперлюминесцентный диод ЛМ2-850 производства НИИ "Волга", г. Саратов, имеющий центральную длину волны λ = 0,83 мкм, продольную длину когерентности l_coh ≈ 30 мкм и мощность 0,7 мВт. В качестве измерительного интерферометра 2 используется интерферометр Майкельсона. Модуляция эталонной разности хода l_e осуществляется при помощи одного из зеркал измерительного интерферометра, закрепленного на громкоговорителе ЗГД-38Е. Перестройка среднего значения эталонной разности хода l_e ⁰ производится при помощи второго зеркала интерферометра Майкельсона, перемещаемого при помощи шагового двигателя ДШИ-200 с шагом в 0,9 градусов, соединенного с микрометрическим винтом с шагом резьбы 1 мм. Для измерения среднего значения эталонной разности хода используется линейка с фотошаблоном, имеющая цифровой выход и обеспечивающая точность определения положения подвижного зеркала до 5 мкм. Первый и второй световоды 4 и 7 выполнены из стандартного многомодового волокна с диаметром сердечника 50 мкм и имеют длину 50 м, их концы снабжены объективами для ввода и вывода оптического излучения. Расстояние между первым и вторым полупрозрачными зеркалами 5 и 8 составляет 1,5 см, расстояние между полупрозрачными зеркалами 5 и 8 и торцами световодов 4 и 7 равно 8 см. В качестве фотоприемника 9 используется кремниевый фотодиод ФД-24К. Для модуляции оптического пути применяется напряжение, имеющее форму симметричной пилы с частотой 8 Гц. Амплитуда модуляции эталонной разности хода l_e достигает 0,4 мм. Устройство обеспечивает непрерывное (во времени) измерение толщины прозрачных и непрозрачных объектов в диапазоне от 0,0005 до 1,5 см с точностью до 5 мкм.

Claims (9)

1. Интерферометрическое устройство для бесконтактного измерения толщины, содержащее расположенные последовательно, оптически связанные источник света, измерительный интерферометр и светоделитель, а также фотоприемник, входящий в систему регистрации выходного сигнала, отличающееся тем, что между светоделителем и первой поверхностью измеряемого слоя введены последовательно расположенные, оптически связанные первый световод и первое полупрозрачное зеркало, ориентированные так, что свет, отраженный от первого полупрозрачного зеркала и первой поверхности измеряемого слоя, направляется обратно в первый световод, между светоделителем и второй поверхностью измеряемого слоя введены последовательно расположенные, оптически связанные второй световод и второе полупрозрачное зеркало, ориентированные так, что свет, отраженный от второго полупрозрачного зеркала и второй поверхности измеряемого слоя, направляется обратно во второй световод, при этом второй световод оптически связан через светоделитель с первым световодом.

2. Интерферометрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введен вспомогательный светоделитель, установленный между светоделителем и вторым световодом, а фотоприемник оптически связан со вторым световодом через вспомогательный светоделитель.

3. Интерферометрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что между первым световодом и первым полупрозрачным зеркалом введен первый поляризационный элемент, выполненный и ориентированный так, что поляризация света, поступающего на светоделитель после отражения от первого полупрозрачного зеркала и первой поверхности измеряемого слоя, ортогональна поляризации света, поступающего со светоделителя в первый световод, между вторым световодом и вторым полупрозрачным зеркалом введен второй поляризационный элемент, выполненный и ориентированный так, что поляризация света, поступающего на светоделитель после отражения от второго полупрозрачного зеркала и второй поверхности измеряемого слоя, ортогональна поляризации света, поступающего со светоделителя во второй световод, при этом в качестве светоделителя используется поляризационный расщепитель, а фотоприемник оптически связан со вторым световодом через светоделитель.

4. Интерферометрическое устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве первого и второго поляризационных элементов использованы четвертьволновые фазовые пластины.

5. Интерферометрическое устройство по п.3, отличающееся тем, что первый и второй поляризационные элементы выполнены в виде петель, сформированных из отрезков первого и второго световодов и выполняющих функцию четвертьволновых фазовых пластин.

6. Интерферометрическое устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве поляризационных элементов использованы 45-градусные фарадеевские вращатели, а первый и второй световоды выполнены из изотропного оптического волокна.

7. Интерферометрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что между светоделителем и первым световодом дополнительно введен первый поляризационный элемент, выполненный и ориентированный так, что поляризация света, поступающего на светоделитель из первого поляризационного элемента, ортогональна поляризации света, поступающего со светоделителя на первый поляризационный элемент, между светоделителем и вторым световодом дополнительно введен второй поляризационный элемент, выполненный и ориентированный так, что поляризация света, поступающего на светоделитель из второго поляризационного элемента, ортогональна поляризации света, поступающего со светоделителя на второй поляризационный элемент, при этом в качестве светоделителя используется поляризационный расщепитель, а фотоприемник оптически связан со вторым световодом через светоделитель.

8. Интерферометрическое устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что в качестве первого и второго полупрозрачных зеркал используются торцы первого и второго световодов.

9. Интерферометрическое устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что система регистрации выходного сигнала содержит селективный усилитель, электрически связанный с фотоприемником, амплитудный детектор, электрически связанный с селективным усилителем, синхронный детектор, первый вход которого электрически связан с выходом амплитудного детектора, генератор модулирующего сигнала, электрически связанный с измерительным интерферометром и со вторым входом синхронного детектора, и схему управления эталонной разностью хода, вход которой электрически связан с выходом синхронного детектора, а выход электрически связан с измерительным интерферометром.

Images