Способ измерения оптической толщины плоскопараллельных прозрачных объектов

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интерференционным способам измерения оптической толщины плоскопараллельных объектов и слоев. Измерение оптической толщины плоскопараллельных прозрачных объектов осуществляют путем направления пучков, отраженных от поверхностей объекта, на двухлучевой интерферометр, бипризму или бизеркало Френеля, создают два пространственно-когерентных пучка, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом друг к другу, размещают в области наложения пучков позиционно-чувствительный многоэлементный фотоприемник. Способ позволяет упростить интерференционную картину за счет создания трех нелокализованных нулевых интерференционных полос, в результате чего достигается увеличение производительности метода измерений. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения оптической толщины плоскопараллельных объектов и слоев.

Известен интерференционный способ определения толщины прозрачных плоскопараллельных объектов. Он заключается в том, что монохроматический пучок разделяют на опорный и объектный пучки, а две интерференционные картины, одна из которых образована опорным и объектным пучком, а другая - объектным пучком, отраженным от обеих поверхностей объекта, совмещают в одной плоскости, изменяют длину волны опорного пучка излучения и регистрируют момент полного наложения интерференционных полос в обеих интерференционных картинах (SU, а. с. 1693371, G 01 B 11/06, опубл. 23.11.91).

Недостатком этого способа является использование монохроматических пучков для создания интерференционной картины, сложная процедура измерения и вследствие этого невысокая производительность метода.

Наиболее близким является интерференционный способ определения толщины плоскопараллельных объектов из оптически прозрачных материалов, заключающийся в том, что объект освещают параллельным пучком белого света, направляют пучки, отраженные от поверхностей объекта, в спектральный прибор, регистрируют интерференционную картину, измеряют число полос в ней между двумя длинами волн, после этого измерения объект устанавливают в измерительный канал интерферометра, вновь направляют интерферирующие пучки в спектральный прибор, регистрируют интерференционную картину, измеряют число полос между теми же длинами волн, что и в первой картине, и определяют толщину t объекта из соотношения t = (k1-k)12/2(1-2), где k1 - число полос между двумя длинами волн 1 и 2 в первой интерференционной картине, k - число полос между двумя теми же длинами волн во второй интерференционной картине (SU, а. с. 1474456, G 01 B 11/06, опубл. 23.04.89).

Недостатком этого способа является использование спектрального прибора, сложная процедура измерений и вследствие этого невысокая производительность метода.

В основу изобретения положена задача создания способа измерения оптической толщины плоскопараллельных прозрачных объектов путем направления пучков, отраженных от поверхностей объекта, в двухлучевой интерферометр, бипризму или бизеркало Френеля, создания двух пространственно когерентных пучков, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом друг к другу, и размещения в области переложения пучков позиционно-чувствительного многоэлементного фотоприемника, при котором обеспечивалось бы упрощение структуры интерференционной картины за счет создания трех нелокализованных "нулевых" интерференционных полос, в результате чего достигалось бы увеличение производительности метода измерений.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что объект освещают плоскопараллельным пучком белого света и отраженные от двух поверхностей объекта пучки преобразуют в два пространственно когерентных пучка, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом друг к другу, и регистрируют в области переложения пучков с помощью пространственно-чувствительного многоэлементного фотоприемника интерференционную картину, затем измеряют расстояние между центрами крайних полос y и по нему определяют оптическую толщину объекта tn0.

Пучки, отраженные от поверхностей объекта, могут быть преобразованы с помощью двухлучевого интерферометра, и тогда оптическая толщина объекта определяется по формуле tn0 = y/2 sin/2, где - угол схождения пучков в двухлучевом интерферометре.

Пучки, отраженные от поверхностей объекта, могут быть направлены на бипризму Френеля, и тогда определяют оптическую толщину объекта по формуле tn0 = y sin(n-1). где - преломляющий угол бипризмы Френеля, n - показатель преломления вещества бипризмы Френеля.

Вышеуказанные пучки могут быть направлены на бизеркало Френеля, и тогда оптическую толщину объекта определяют по формуле tn0 = y sin, где - угол между бизеркалами Френеля.

Создание двух пространственно когерентных пучков белого света, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом друг к другу, осуществленное с помощью двухлучевого интерферометра или бипризмы (бизеркала) Френеля, приводит к образованию интерференционной картины из трех нелокализованных "нулевых" интерференционных полос, тем самым измерение оптической толщины объекта сводится к определению расстояния между центрами крайних полос, что обеспечивает упрощение и ускорение процедуры измерения, т.е. приводит к повышению производительности. Дополнительный технический результат возникает при использовании бипризмы или бизеркала Френеля, обеспечивающих стабильность интерференционной картины и нечувствительность метода измерений к вибрациям за счет отсутствия движущихся частей.

Сущность предложенного способа поясняется фиг. 1 и 2. На фиг.1 приведена оптическая схема устройства, реализующего указанный способ.

Устройство содержит пространственно-когерентный источник белого света, создающий пучок параллельных лучей 1, полупрозрачное плоское зеркало 2, освещающее плоскопараллельный прозрачный объект 3, бипризму Френеля 4 (в одном из вариантов изобретения) и пространственно-чувствительный многоэлементный фотоприемник 5.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в области переложения двух выходных пучков интерферометра, распространяющихся под малым углом друг к другу, например, преломленных двумя половинами бипризмы Френеля, возникает интерференционная картина, состоящая из трех полос: центральной и симметрично относительно нее расположенных двух других идентичных центральной по структуре. Центральная полоса есть обычная "нулевая" полоса, наблюдаемая при освещении интерферометра параллельным пучком белого света. Положение двух боковых полос определяется разностью хода лучей, отраженных от передней и задней поверхности плоскопараллельного слоя, эта разность хода набирается пучком при прохождении света через плоскопараллельный слой до задней поверхности и обратно. Расстояние y между боковыми полосами связано с оптической толщиной слоя и углом между пучками соотношением: y = 2tn0/sin(/2). Толщина слоя рассчитывается по формуле: t = (y/2n0)sin(/2) где: t - толщина плоскопараллельного слоя, n0 - его показатель преломления.

Для бипризмы с преломляющим углом оно приобретает вид: t = (y/2n0)sin[(n-1)] (y/2n0)(n-1)
Здесь n - показатель преломления вещества призмы. Рассмотрим теоретические основы способа. В общем случае распределение освещенности E(y) в области пересечения пучков интерферометра описывается соотношением:

где r - функция автокорреляции излучения, освещающего призму, с - скорость света.

Предположим, что источник пространственно-когерентного излучения эмитирует квазимонохроматический свет с центральной частотой 0 и приближенно-гауссовым распределением спектра с шириной .
Можно показать в более общем случае, что распределение освещенности в области интерференции описывается сверткой автокорреляционной функции используемого излучения с автокорреляционной функцией сигнала, формирующегося при отражении от двух поверхностей бесконечно короткого светового импульса. Оно несет информацию не только о расстоянии между поверхностями, но и о структуре вещества, находящегося между ними (в рассматриваемом случае - прозрачного).

Для плоскопараллельного слоя при гауссовской форме спектра шириной с центральной частотой 0 функция r имеет вид:

Здесь символом обозначена операция свертки (t) - дельта-функция Дирака, 0 - время когерентности, = tn0/c. Качественно вид распределения освещенности в зоне интерференции изображен на фиг. 2.

Учитывая, что 0 = 4/, из этой формулы можно видеть, что ширина каждого из интерференционных максимумов тем меньше, чем больше ширина спектра излучения.

Таким образом, метод позволяет измерить оптическую толщину (tn0) прозрачного слоя простым измерением расстояния между крайними интерференционными полосами, при этом за координату полосы принимают положение ее максимума. Отметим, что метод позволяет использовать как источники белого света, так и широкополосное лазерное излучение. В отличие от большинства существующих, предлагаемый способ и основанные на нем устройства не содержат подвижных элементов и обеспечивают возможность применения простых методов автоматизации процедуры измерения с целью контроля процессов изготовления слоев.


Формула изобретения

1. Способ определения оптической толщины плоскопараллельных прозрачных объектов, заключающийся в освещении объекта пространственно-когерентным пучком белого света и регистрации интерференции пучков, отраженных от двух поверхностей объекта, отличающийся тем, что вышеуказанные пучки преобразуют в два пространственно-когерентных, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом друг к другу, а затем в области наложения пучков с помощью пространственно-чувствительного многоэлементного приемника регистрируют интерференционную картину, измеряют расстояние между центрами боковых полос y и определяют оптическую толщину объекта tn0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование вышеуказанных пучков осуществляют с помощью двухлучевого интерферометра, а оптическую толщину объекта tn0 определяют по формуле
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование вышеуказанных пучков осуществляют на бипризму Френеля, а оптическую толщину объекта tn0 определяют по формуле tno= ysin(n-1).
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование вышеуказанных пучков осуществляют с помощью бизеркала Френеля, а оптическую толщину объекта tn0 определяют по формуле tno= ysin, где - угол между бизеркалами Френеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптико-интерференционным способам и устройствам для измерения размеров и концентрации полидисперсных аэрозольных сред и может быть использовано в измерительной технике

Изобретение относится к технической физике, в частности к исследованиям внутренней структуры объектов оптическими средствами, и может быть использовано в медицинской диагностике состояния отдельных органов и систем человека in vivo, а также в технической диагностике, например, для контроля технологических процессов

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 относится к области геофизики и может быть использовано для измерения микродеформаций земной коры и изучения пространственно-временной структуры сейсмоакустических полей

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может использоваться в скоростных дифрактометрах

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора, возбуждаемого светом, и может быть использовано в системах измерения различных физических величин, например, концентрации газов, температуры, давления и др

Изобретение относится к интерферометрам и может быть использовано для абсолютного измерения линейной длины отрезков

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при конструировании электронного блока обработки информации волоконно-оптического гироскопа, а также других датчиков физических величин на основе кольцевого интерферометра

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройству для измерения поверхностей и профилей с помощью интерферометрии

Изобретение относится к оптическим способам измерения толщин слоев прозрачных жидкостей и может быть использован для бесконтактного определения толщин слоев прозрачных жидкостей в лакокрасочной, химической и электронной промышленности, а также в физических и химических приборах

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 относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного автоматического измерения толщины прозрачных материалов, например листового стекла, в непрерывном производственном процессе

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины и показателя преломления прозрачных слоев

Изобретение относится к измерительной технике, к оптическому приборостроению и может найти применение при создании аппаратуры для изготовления многослойных оптических покрытий, наносимых путем осаждения веществ в вакуумной камере

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения толщины прозрачных пленок

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в легкой промышленности для автоматизации процесса сортировки кож

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в легкой промышленности для автоматизации процесса сортировки кож

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в черной и цветной металлургии для измерения толщины проката в условиях горячего производства без остановки технологического процесса
Наверх