Интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов

Изобретение относится к бесконтактным оптическим методам измерения физических параметров прозрачных объектов. С помощью источника света формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое направляют в двухлучевой интерферометр. Вышедшее из двухлучевого интерферометра низкокогерентное оптическое излучение вводят в волоконно-оптическую передающую линию. Вышедшее низкокогерентное оптическое излучение разделяют на опорный и измерительный пучки. Опорный и измерительный пучки направляют по опорному и измерительному оптическим путям. Низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее по опорному оптическому пути смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшим по измерительному оптическому пути. Интенсивность полученного низкокогерентного оптического излучения преобразуют в электрический сигнал с помощью фотопреобразователя. Устанавливают начальное значение оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре. Размещают на оптическом пути измерительного пучка исследуемый объект. Измеряют изменение относительно начального значения оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра. Измеряют оптическую разность хода для лучей двухлучевого интерферометра. Технический результат - упрощение аппаратной реализации способа при одновременном повышении точности измерений. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к бесконтактным оптическим методам измерения физических параметров прозрачных, в том числе и движущихся, объектов, а именно пленок, листового (ленточного) стекла и т.п.

Из уровня техники известен интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, согласно которому формируется низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения, первый пучок низкокогерентного оптического излучения направляют по первому оптическому пути, который выполняют двунаправленным и с возможностью изменения по заданному линейному закону оптической длины пути для первого пучка низкокогерентного оптического излучения, второй пучок низкокогерентного оптического излучения направляют по второму, выполненному также двухканальным, оптическому пути, затем низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее в прямом и обратном направлениях по первому оптическому пути, смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшим в прямом и обратном направлениях по второму оптическому пути, преобразуют с помощью фотопреобразователя интенсивность полученного в результате упомянутого выше смешения низкокогерентного оптического излучения в электрический сигнал. Затем устанавливают начальное значение длины оптического пути для первого пучка низкокогерентного оптического излучения, равной длине оптического пути для второго пучка низкокогерентного оптического излучения, путем изменения оптической длины пути для первого пучка низкокогерентного оптического излучения до момента появления максимального контраста регистрируемой фотопреобразователем интерференционной картины. Размещают исследуемый объект на пути распространения второго пучка низкокогерентного оптического излучения и далее, изменяя оптическую длину пути для первого пучка низкокогерентного оптического излучения и последовательно фиксируя моменты появления максимального контраста регистрируемых фотопреобразователем интерференционных картин, измеряют: Х₁ - изменение относительно начального значения оптической длины пути для первой волны второго пучка низкокогерентного оптического излучения, прошедшей в прямом и обратном направлениях по всему второму оптическому пути; Х₂ - изменение относительно начального значения оптической длины пути для второй волны второго пучка низкокогерентного оптического излучения, прошедшей в прямом направлении до передней поверхности исследуемого объекта, а после отражения от указанной выше поверхности в обратном направлении; Х₃ - изменение относительно начального значения оптической длины пути для третьей волны второго пучка низкокогерентного оптического излучения, прошедшей в прямом направлении до задней поверхности исследуемого объекта, а после отражения от указанной выше поверхности в обратном направлении, а искомые физические параметры исследуемого объекта определяют из следующих зависимостей Х₁=(n-1)d; X₃-X₂=n·d, где n и d соответственно показатель преломления материала исследуемого объекта, a d - его толщина (см. патент US-A-№4647205, 1987).

Недостаток описанного выше интерферометрического способа измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов заключается в том, что он имеет ограниченную область использования, так как не может быть использован при дистанционном измерении указанных выше физических параметров прозрачных объектов, находящихся в труднодоступных местах или в зонах с внешними факторами, неблагоприятными для нормальной работы прецизионных оптических устройств, например в зонах с высокой или низкой температурой, с высоким уровнем вибраций, акустических шумов и т.п.

Известен также интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, взятый в качестве прототипа и при котором формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое вводят в волоконно-оптическую передающую линию, по которой низкокогерентное оптическое излучение распространяется в прямом направлении, вышедшее из волоконно-оптической передающей линии низкокогерентное оптическое излучение разделяют на опорный и измерительный пучки с помощью оптического элемента с частично отражающей поверхностью, который устанавливают перпендикулярно направлению распространения низкокогерентного оптического излучения, вышедшего из волоконно-оптической передающей линии, при этом обратно отраженное от оптического элемента с частично отражающей поверхностью оптическое излучение является опорным пучком, а направление распространения оптического излучения, прошедшего через оптический элемент с частично отражающей поверхностью и являющегося измерительным пучком, изменяют на противоположное с помощью зеркала, которое устанавливают с зазором относительно частично отражающей поверхности упомянутого выше оптического элемента и параллельной ей, после этого опорный и измерительный пучки сводят в один пучок низкокогерентного оптического излучения, который вводят в упомянутую выше волоконно-оптическую передающую линию, по которой он, распространяясь в обратном направлении, поступает в двухлучевой интерферометр, снабженный средствами для изменения по заданному закону оптической разности хода для его лучей, и также для ее измерения, а интенсивность выходящего из интерферометра низкокогерентного оптического излучения преобразуют в электрический сигнал с помощью фотопреобразователя. Затем устанавливают начальное значение - Х₀ оптической разности хода для лучей интерферометра, равной длине оптического пути для измерительного пучка между частично отражающей поверхностью упомянутого выше оптического элемента и зеркала, путем изменения оптической разности хода для лучей интерферометра до момента появления максимального контраста регистрируемой фотопреобразователем интерференционной картины, размещают исследуемый объект между частично отражающей поверхностью оптического элемента и зеркалом, после чего, изменяя оптическую разность хода для лучей интерферометра и фиксируя последовательно моменты появления максимального контраста регистрируемых фотопреобразователем интерференционных картин измеряют: ΔX₁ - изменение относительно начального значения Х₀ оптической разности хода для лучей интерферометра после размещения на оптическом пути измерительного пучка низкокогерентного оптического излучения исследуемого объекта; ΔХ₂ - оптическую разность хода для лучей интерферометра, соответствующую оптической разности хода для волн измерительного пучка низкокогерентного оптического излучения соответственно не претерпевших и претерпевших последовательно отражение от одной и другой поверхностей исследуемого объекта, а искомые физические параметры исследуемого объекта определяют из следующих зависимостей:

ΔХ₁=(n-1)d, ΔX₂=n·d (см. заявку ЕР-А2-№0726078, 1997).

Недостаток прототипа заключается в том, что он имеет ограниченную область применения, что обусловлено необходимостью использования при его осуществлении двухлучевого интерферометра сложной конструкции, а следовательно дорогостоящего. Дело в том, что поскольку обе поверхности исследуемого объекта расположены параллельно соответственно частично отражающей поверхности оптического элемента и зеркалу, то измерительный пучок низкокогерентного оптического излучения, по существу, проходит через три последовательно расположенных интерферометра Фабри-Перо. Первый интерферометр Фабри-Перо образован частично отражающей поверхностью оптического элемента и ближайшей к ней передней поверхностью исследуемого объекта. Второй интерферометр Фабри-Перо образован передней и задней поверхностями исследуемого объекта, а третий - задней поверхностью исследуемого объекта и зеркалом. Для того чтобы исключить появление (отстроиться от) дополнительных сигналов (интерференционных картин) при изменении оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре, в пределах диапазона измерения оптической толщины контролируемого объекта необходимо, чтобы толщина каждого из упомянутых выше первого и третьего интерферометров Фабри-Перо была больше верхней границы диапазона измерений толщины исследуемого объекта. Это приводит к необходимости увеличения диапазона изменения оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра, а следовательно, к усложнению его конструкции и возрастанию его стоимости. Кроме того, разделение низкокогерентного оптического излучения на опорный и измерительный пучки с помощью оптического элемента с частично отражающей поверхностью, который устанавливают перпендикулярно направлению распространения низкокогерентного оптического излучения, вышедшего из оптико-волоконной передающей линии, приводит к возникновению погрешности измерений при колебаниях температуры в зоне измерений вследствие противофазного изменения оптических длин для опорного и измерительного пучков при изменении температуры окружающей среды.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению расширения области использования интерферометрического способа измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов. Достигаемый технический результат заключается в упрощении аппаратной реализации способа (возможности использования двухлучевых интерферометров более простой конструкции узла для изменения оптической разности хода его лучей) при одновременном повышении точности измерений за счет уменьшения влияния изменений температуры на результаты измерений контролируемых параметров исследуемого объекта.

Поставленная задача решена тем, что в интерферометрическом способе измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, включающем формирование низкокогерентного оптического излучения, введение низкокогерентного оптического излучения в волоконно-оптическую передающую линию, разделение вышедшего из волоконно-оптической передающей линии низкокогерентного оптического излучения на опорный и измерительный пучки, установление начального значения - Х₀ оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре, который снабжен средствами для изменения по заданному закону оптической разности хода для его лучей и для измерения указанной выше разности хода, путем изменения оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре до момента появления максимального контраста регистрируемой фотопреобразователем интерференционной картины, размещение исследуемого объекта на оптическом пути измерительного пучка, измерение изменения - ΔX₁ относительно начального значения - Х₀ оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра вследствие размещения на пути измерительного пучка исследуемого объекта, а также измерение оптической разности хода - ΔХ₂ для лучей двухлучевого интерферометра, которая соответствует оптической разности хода для волн измерительного пучка соответственно не претерпевших и претерпевших последовательно отражение от одной и другой поверхностей исследуемого объекта, путем изменения оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра и фиксации последовательно значений оптической разности хода для его лучей, соответствующих моментам появления максимального контраста регистрируемых фотопреобразователем интерференционных картин, с последующим определением значений n - показателя преломления материала исследуемого объекта и его толщины - d из следующих зависимостей: ΔX₁=(n-1)d, ΔX₂=n·d, согласно изобретению сформированное низкокогерентное оптическое излучение вправляют в двухлучевой интерферометр, а вышедшее из него низкокогерентное оптическое излучение вводят в волоконно-оптическую передающую линию, опорный и измерительный пучки направляют соответственно по опорному и измерительному оптическим путям, имеющим оптические длины путей для низкокогерентного оптического излучения, отличающиеся на величину d₀<d_min(2-n_min), где d_min и n_min - нижние границы диапазона измерений соответственно толщины исследуемого объекта и его показателя преломления, низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее по опорному оптическому пути смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшим по измерительному оптическому пути, а интенсивность низкокогерентного оптического излучения, полученного после упомянутого выше смешения, преобразуют в электрический сигнал с помощью фотопреобразователя.

Преимущество предложенного интерферометрического способа измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов перед прототипом заключается в том, что новая последовательность действий над сформированным низкокогерентным оптическим излучением (а именно: низкокогерентное оптическое излучение направляют в двухлучевой интерферометр, вышедшее из него низкокогерентное оптическое излучение вводят в волоконно-оптическую передающую линию, а вышедшее из волоконно-оптической передающей линии низкокогерентное оптическое излучение сначала разделяют на опорный и измерительный пучки, которые направляют по соответствующему каждому из них опорному и измерительному оптическим путям, имеющим разные оптические длины путей для низкокогерентного оптического излучения, разность которых удовлетворяет определенному соотношению, а излучение, прошедшее по опорному оптическому пути смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшим по измерительному оптическому пути) позволяет избежать появления паразитных интерференционных картин в рабочем диапазоне изменения оптической разности хода лучей в двухлучевом интерферометре, а следовательно, уменьшить величину указанного выше диапазона и упростить аппаратурную реализацию способа.

Кроме того, разделение вышедшего из волоконно-оптической передающей линии низкокогерентного оптического излучения на опорный и измерительный пучки, которые после смешивают, не изменяя направления распространения этих пучков на противоположное, позволяет повысить точность измерений за счет синфазного изменения оптических длин пучков при изменении температуры.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения указанной выше совокупностью существенных признаков ожидаемого технического результата.

На чертеже схематично изображено устройство, посредством которого может быть реализован предложенный интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов.

Упомянутое выше устройство содержит источник 1 низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК-диапазона длин волн, например полупроводниковый суперлюминесцентный диод, суперлюм спонтанного излучения или другой излучатель с продольной длиной когерентности 20-50 мкм; двухлучевой интерферометр 2, в качестве которого может быть использован любой двухлучевой интерферометр, например Майкельсона или Маха-Цендера, снабженный средствами для изменения, например по линейному закону, разности хода для своих лучей, а также для измерения этой разности хода; волоконно-оптическую линию 3 связи, выполненную, например, из многомодового волокна; оптический измерительный блок 4 и фотопреобразователь 5.

Источник 1 низкокогерентного оптического излучения оптически сопряжен с входом двухлучевого интерферометра 2, например интерферометра Майкельсона, который содержит светоделитель 6, неподвижное зеркало 7 и подвижное зеркало 8, закрепленное, например, на электродинамическом приводе 9 (аналогично тому, как описано в патенте US-A-№4647205, 1987), а также средствами (на чертеже не показаны) для измерения его перемещения, например линейкой с фотошаблоном (см. патент RU-С1-№2147728, 2000). Выход двухлучевого интерферометра 2 оптически сопряжен с входом волоконно-оптической передающей линии 3, а ее выход - с входом оптического измерительного блока 4.

На чертеже представлен вариант выполнения оптического измерительного блока 4 на дискретных оптических элементах: светорасщепителях 10 и 11, а также зеркалах 12 и 13. Однако он может быть реализован с использованием и перископических призматических элементов или волоконно-оптических элементов (см., например, заявку WO-A1-№10676, 2002). Оптический измерительный блок 4 выполнен по модифицированной схеме интерферометра Маха-Цендера, при этом входной светорасщепитель 10 (полупрозрачное зеркало) и выходной светорасщепитель 11 (полупрозрачное зеркало) размещены последовательно вдоль оптической оси 14 пучка низкокогерентного оптического излучения, вышедшего из волоконно-оптической передающей линии 3. Светорасщепитель 10 установлен под углом 45° к оси 14 и оптически сопряжен с параллельно ему расположенным зеркалом 12. Светорасщепитель 11 установлен по отношению к светорасщепителю 10 под прямым углом и оптически сопряжен с параллельно ему расположенным зеркалом 13. Зеркала 12 и 13 расположены последовательно вдоль прямой, параллельной оси 14. Исследуемый объект 15 на чертеже показан штриховой линией, а направления распространения низкокогерентного оптического излучения показаны сплошной линией с одной или двумя стрелками. Фотопреобразователь 5 оптически сопряжен с выходом (выходным светорасщепителем 11) оптического измерительного блока 4, и линзы на входе и выходе волоконно-оптической передающей линии обозначены позицией 16. Интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов осуществляется следующим образом. С помощью источника 1 формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое направляют в двухлучевой интерферометр 2. В двухлучевом интерферометре 2 низкокогерентное оптическое излучение с помощью светоделителя 6 разделяют на распространяющиеся под прямым углом друг к другу два луча, один из которых направляют на неподвижное зеркало 7, а другой - на подвижное зеркало 8. Первый луч, прошедший в прямом и обратном направлениях до зеркала 6 смешивают со вторым лучом, прошедшим в прямом и обратном направлениях до зеркала 8. Полученное в результате смешения первого и второго луча низкокогерентное оптическое излучение выводят из двухлучевого интерферометра 2 и вводят в волоконно-оптическую передающую линию 3. Вышедшее из волоконно-оптической передающей линии 3 низкокогерентное оптическое излучение разделяют с помощью входного светорасщепителя 10 оптического измерительного блока 4 на опорный и измерительный пучки, при этом прошедшее входной светорасщепитель 10 низкокогерентное оптическое излучение является, например, опорным пучком и его направляют по опорному оптическому пути непосредственно на выходной светорасщепитель 11, а отраженное от входного светорасщепителя 10 низкокогерентное оптическое излучение является измерительным пучком и его направляют по измерительному оптическому пути, а именно: сначала на зеркало 12, а после отражения от него на зеркало 13, а после отражения от него на выходной светорасщепитель 11. Измерительный оптический путь устанавливают таким, чтобы он отличался от опорного оптического пути для низкокогерентного оптического излучения на величину d₀<d_min(2-n_min), где d_min и n_min - нижние границы диапазона измерений соответственно толщины исследуемого объекта 15 (пленки, пластинки, ленты) и показателя преломления его материала. Низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее по опорному оптическому пути, смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшем по измерительному оптическому пути с помощью выходного светорасщепителя 11 оптического измерительного блока 4 и направляют на фотопреобразователь 5. С помощью фотопреобразователя 5 интенсивность низкокогерентного оптического излучения, полученного после упомянутого выше смешения, преобразуют в электрический сигнал. Далее устанавливают начальное значение Х₀ оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре 2 (которое в случае использования двухлучевого интерферометра Майкельсона Х₀=2δ=d₀, где δ - величина смещения подвижного зеркала 8 относительно его положения, соответствующего равенству оптических путей для обоих лучей в двухлучевом интерферометре и устанавливаемого предварительно при калибровке двухлучевого интерферометра 2) путем изменения оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре 2 до момента появления максимального контраста регистрируемой фотопреобразователем 5 интерференционной картины. Затем на пути распространения измерительного пучка (между расположенными под прямым углом друг к другу зеркалами 12 и 13) размещают исследуемый объект 15 и, изменяя оптическую разность хода для лучей двухлучевого интерферометра 2, последовательно фиксируют значения оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра 2, соответствующие моментам появления максимального контраста регистрируемых фотопреобразователем 5 интерференционных картин, а именно, во-первых, измеряют изменение - ΔX₁ относительно начального значения - X₀ оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра 2 вследствие размещения на пути измерительного пучка исследуемого объекта, фиксируя значение оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра 2, соответствующее моменту появления максимального контраста первой регистрируемой фотопреобразователем 5 интерференционной картины. Во-вторых, измеряют оптическую разность хода - ΔХ₂ для лучей двухлучевого интерферометра 2, которая соответствует оптической разности хода для волн измерительного пучка соответственно после отражения от подвижного зеркала 8 не претерпевших и после отражения от неподвижного зеркала 7 претерпевших последовательно отражение от одной и другой поверхностей исследуемого объекта 15, фиксируя значение оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра 2, соответствующее моменту появления максимального контраста второй регистрируемой фотопреобразователем 5 интерференционной картины.

Определяют толщину - d исследуемого объекта 15 и показатель - n преломления материала исследуемого объекта 15 из следующих зависимостей: ΔX₁=(n-1)d, ΔX₂=n·d. Или после элементарных преобразований имеем: d=ΔХ₂-ΔX₁; n=ΔХ₂/(ΔХ₂-ΔX₁).

Изобретение может быть использовано для непрерывного бесконтактного измерения геометрической толщины и показателя преломления прозрачных объектов: пластин, пленки, листовых или ленточных материалов.

Интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, в котором производят формирование низкокогерентного оптического излучения, при этом установление начального значения Х₀ оптической разности хода для лучей производят в двухлучевом интерферометре, который снабжен средствами для изменения по заданному закону оптической разности хода для его лучей и для измерения указанной выше разности хода, путем изменения оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре до момента появления максимального контраста регистрируемой фотопреобразователем интерференционной картины, размещают исследуемый объект на оптическом пути измерительного пучка, измеряют изменения ΔX₁ относительно начального значения Х₀ оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра вследствие размещения на пути измерительного пучка исследуемого объекта, а также измеряют оптическую разность хода ΔХ₂ для лучей двухлучевого интерферометра, которая соответствует оптической разности хода для волн измерительного пучка, соответственно не претерпевших и претерпевших последовательно отражение от одной и другой поверхностей исследуемого объекта, путем изменения оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра и фиксации последовательно значений оптической разности хода для его лучей, соответствующих моментам появления максимального контраста регистрируемых фотопреобразователем интерференционных картин, с последующим определением значений n - показателя преломления материала исследуемого объекта и его толщины d из следующих зависимостей: ΔX₁=(n-1)·d, ΔX=n·d, отличающийся тем, что сформированное низкокогерентное оптическое излучение направляют в двухлучевой интерферометр, а вышедшее из него низкокогерентное оптическое излучение вводят в волоконно-оптическую передающую линию, опорный и измерительный пучки направляют соответственно по опорному и измерительному оптическим путям, имеющим оптические длины путей для низкокогерентного оптического излучения, отличающиеся на величину d₀<d_min(2-n_min), где d_min и n_min - нижние границы диапазона измерений соответственно толщины исследуемого объекта и его показателя преломления, низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее по опорному оптическому пути смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшим по измерительному оптическому пути, а интенсивность низкокогерентного оптического излучения, полученного после упомянутого выше смешения, преобразуют в электрический сигнал с помощью фотопреобразователя.