FI66690C

FI66690C - FOERFARANDE OCH INTERFEROMETER FOER MAETNING AV KORTA STRAECKOR MED HJAELP AV ICKEKOHERENT LJUS

Info

Publication number: FI66690C
Application number: FI833111A
Authority: FI
Inventors: Kalevi Juhani Kalliomaeki; Reijo Albert Kivelae; Raimo Vilho Saarimaa
Original assignee: Topwave Instr Oy
Priority date: 1982-09-01
Filing date: 1983-09-01
Publication date: 1984-11-12
Also published as: FI833111A; FI833111A0; FI66690B

Description

6669066690

Menetelmä ja interferometri pienten matkojen mittaamiseksi epäkoherentin valon avulla Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 5 johdannon mukainen menetelmä. Keksintö koskee myös menetelmän suorittamiseksi tarkoitettua interferometriä.The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 to 5, and to an interferometer for measuring small distances by means of incoherent light. The invention also relates to an interferometer for carrying out the method.

Mitattaessa pieniä matkoja epäkoherenttia valoa käyttävällä interferometrillä epäkoherentti valonsäde lähetetään säteenjakajan kautta toisaalta kohteeseen, 10 jonka sijainti on määrättävä ja toisaalta vertailulait- teeseen, ja kohteesta samoin kuin vertailulaitteesta heijastuneet valonsäteet vastaanotetaan interferenssi-ilmaisimella, joka havaitsee interferenssin, kun vertailulait-teen ja kohteen matkat säteenjakajaan ovat yhtä suuret.When measuring short distances with an incoherent interferometer, the incoherent light beam is transmitted through a beam splitter to a target to be determined and to a reference device, and the light beams reflected from the target as well as the reference device are received by are equal in size.

15 Ohuiden kalvojen, pinnoitteiden, levyjen tms. pak suutta voidaan mitata mekaanisin mittavälinein, mikäli mitattava kohde on tarpeeksi kova. Jos pinnoitteen paikallisella paksuusvaihtelulla on merkitystä,kuten elektronisten hybridipiirien tutkimisessa, täytyy mittauskär-20 jen olla pienikokoinen, jolloin sen pintapaine kasvaa estäen pehmeiden materiaalien mittauksen. Pinnoitemateri-aalit ovat usein pehmeitä prosessin alkuvaiheessa, ennen kuin ne ehtivät kovettua. Prosessin säädön kannalta olisi tärkeää saada tieto kalvon paksuudesta mahdollisimman no-25 peasti.15 The thickness of thin films, coatings, plates, etc. can be measured with mechanical measuring instruments if the object to be measured is hard enough. If local variation in coating thickness is important, such as in the study of hybrid electronic circuits, the measuring tips must be small in size, increasing its surface pressure, preventing the measurement of soft materials. Coating materials are often soft at the beginning of the process before they have time to cure. From the point of view of process control, it would be important to obtain information on the film thickness as soon as possible.

Optisilla mittausvälineillä voidaan kalvon paksuutta mitata vahingoittamatta sitä. Tavanmukaisten kulma-mittaukseen perustuvien optisten etäisyysmittareiden tarkkuus on kuitenkin usein riittämätön, vain noin 30 10 pm:n luokkaa. Monokromaattista valoa käyttävä inter- ferometri on riittävän tarkka, mutta interferenssi sattuu aina puolen aallonpituuden matkan jälkeen samanlaisena, jolloin helposti syntyy puolen aallon monikerran mittainen virhe. Käyttämällä useita erilaisia tarkkaan tunnet-35 tuja aallonpituuksia tai muuttamalla aallonpituutta tar- i 2 66690 kasti tunnetulla alueella, voitaisiin tavanmukaisen interferometrin antaman tuloksen monikäsitteisyys välttää. Nykyisellä tekniikan tasolla näillä periaatteilla rakennettu laite tulee kuitenkin liian kalliiksi.With optical measuring means, the thickness of the film can be measured without damaging it. However, the accuracy of conventional optical rangefinders based on angle measurement is often insufficient, only in the order of about 30 to 10 μm. using monochromatic light intervention ferometri is sufficiently accurate, but the interference always occurs after a half wave length distance, and thus, the error is easily generated long half-wavelength multiple. By using a variety of precisely known wavelengths or by varying the wavelength as needed within a known range, the ambiguity of the result given by a conventional interferometer could be avoided. However, in the current state of the art, a device built on these principles becomes too expensive.

5 Mikäli tavanmukaisessa interferometrissä käytetään monokromaattisen valon asemesta valkoista valoa, tulee interferenssi yksikäsitteiseksi, ts. interferenssi sattuu vain, kun molemmat valonsäteet ovat kulkeneet täsmälleen saman matkan (Michelsson-interferometri). Tätä 10 periaatetta käytti prof. Väisälä valmistamiensa kvartsi-metrien pituuden vertailuun. Geodeettinen laitos soveltaa tätä Väisälän keksimää menetelmää jopa puolen kilometrin pituisten matkojen vertailuun. Ongelmana tässä menetelmässä on interferenssin löytäminen, sillä lait-15 teiden asettelu ja viritys saattaa viedä useita päiviä ammattitaitoisen ihmisen työaikaa. Tässä mielessä on ymmärrettävää, ettei Väisälän menetelmä ole saavuttanut laajaa suosiota.5 If white light is used instead of monochromatic light in a conventional interferometer, the interference becomes unambiguous, ie the interference only occurs when both light beams have traveled exactly the same distance (Michelsson interferometer). These 10 principles were used by prof. Väisälä to compare the length of the quartz meters he makes. The Finnish Geodetic Institute to apply this Väisälä invented a method of up to half a mile in length trips comparison. The problem with this method is to find interference, as the layout and tuning of the devices may take several days of working time by a skilled person. In this sense, it is understandable that Väisälä's method has not gained widespread popularity.

Jos mitattava kalvo tai pinnoite on läpinäkyvä, 20 voidaan sen paksuus mitata tarkasti valkoista valoa käyttävällä Michelsson-interferometrin muunnoksella, jonka ovat esittäneet Flournoy, McClure ja Wyntjes v. 1972. Kyseisessä menetelmässä valonsäde heijastuu mitattavan kalvon etu- ja takapinnasta,ja säteet johdetaan sitten 25 interferometriin, jonka peiliä siirtämällä saadaan kalvon paksuus selville. Kalvon ja interferometrin välimatka ei periaatteessa vaikuta tulokseen. Valon taitekerroin kalvossa ja valonsäteiden kulma aiheuttavat mittausepä-tarkkuutta.If the film or coating to be measured is transparent, its thickness can be accurately measured with a white light Michelsson interferometer variant presented by Flournoy, McClure and Wyntjes in 1972. In this method, the light beam is reflected from the front and back surfaces of the film to be measured. an interferometer, the mirror thickness of which is determined by moving the mirror. The distance between the membrane and the interferometer does not, in principle, affect the result. The refractive index of light in the film and the angle of the light rays cause measurement inaccuracy.

30 Nyt puheena olevassa keksinnössä on Michelsson- tyyppisestä interferometristä tehty automaattisesti toimiva, ohuiden läpinäkymättömien kalvojen tms. paksuusmit-tauksiin soveltuva muunnos. Optisten, elektronisten ja sähkömekaanisten osien tarkoituksenmukaisilla toiminnoil-35 la on alkuperäisen laitteen suurin haittatekijä, hitaus, 66690 voitu eliminoida. Oleellisena erona menetelmässä ja laitteessa on myös se, että mittaustuloksena ilmoitetaan portaattomasti säädettävän vertailumatkan pituus silloin, kun interferenssi havaitaan.In the present invention, a Michelsson-type interferometer has been made an automatically operative modification suitable for thickness measurements of thin opaque films and the like. With the appropriate functions of the optical, electronic and electromechanical components, the greatest disadvantage of the original device, the slowness, 66690 could be eliminated. An essential difference between the method and the device is also that the length of the steplessly adjustable reference distance is reported as the measurement result when the interference is detected.

5 Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että vertailu- matkaa tai mitattavaa matkaa säädetään jaksollisesta automaattisella mekanismilla, interferenssiä tarkkaillaan elektronisella interferenssi-ilmaisimella ja interfe-renssihetkellä luetaan vertailulaitteen tai mitattavan 10 kohteen asento automaattisen mekanismin yhteydessä olevasta asentoanturista tai vastaavasta. Siirtomekanismi voidaan sopivasti kalibroida toisella interferometrillä.The invention is based on the idea that the reference distance or the measured distance is adjusted by a periodic automatic mechanism, the interference is monitored by an electronic interference detector and the position of the reference device or object to be measured is read from a position sensor connected to the automatic mechanism or the like. The transfer mechanism can be suitably calibrated with a second interferometer.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkki- 15 osassa.The method according to the invention is characterized by what is set forth in the characterizing part of claim 1.

Keksinnön mukainen, pienten matkojen mittaukseen tarkoitettu interferometri on siis sitä tyyppiä, johon kuuluu epäkoherenttia valoa lähettävä valonlähde, sä-teenjakaja valonsäteen jakamiseksi lähteestä toisaalta 20 vertailulaitteeseen ja toisaalta mitattavaan kohteeseen, interferenssi-ilmaisin vertailulaitteesta ja kohteesta tulevien heijastuneiden valonsäteiden vastaanottamiseksi, sekä elimet vartailulaitteen aseman säätämiseksi. Interfe-rqmetrin toiminta perustuu siihen, että mainitut eli-25 met vertailulaitteen aseman säätämiseksi käsittävät jak- sollisesti toimivan automaattisen mekanismin, joka aikaansaa vertailumatkan jaksollisen muutoksen, sopivimmin vakionopeudella, että interferenssi-ilmaisin on elektronisesti toimiva ja siten kytketty mainittuun automaatti-30 seen mekanismiin, että interferenssihetkellä voidaan lukea mekanismin asento ja sen mukana myös vertailumatka.The short-distance measuring interferometer according to the invention is thus of the type comprising an incoherent light source, a beam splitter for dividing the light beam from the source to the reference device on the one hand and the object to be measured on the other hand, an interference detector for receiving reflected light beams from the reference device and the target, . The operation of the interface meter is based on the fact that said or 25 meters for adjusting the position of the reference device comprise a periodically operating automatic mechanism which produces a periodic change of the reference distance, preferably at a constant speed, that the interference detector is electronically operated and thus connected to said automatic mechanism, that at the moment of interference the position of the mechanism can be read and with it also the reference distance.

Keksinnön mukaiselle interferometrille on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen U tun-nusmerkkiosassa.The interferometer according to the invention is characterized by what is stated in the characterizing part of claim U.

35 Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin esimerkin 11 66690 muodossa ja viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuviot 1 ja 3 esittävät kaaviomaisesti epäkoherenttia valoa käyttävän interferometrin periaatetta, ja kuvio 2 esittää esillä olevan keksinnön mukaisen lait-5 teen erästä suoritusmuotoa.The invention will now be described in more detail in the form of Example 11 66690 and with reference to the accompanying drawings, in which Figures 1 and 3 schematically show the principle of an interferometer using incoherent light, and Figure 2 shows an embodiment of a device according to the present invention.

Valonlähteenä 1 on laitteessa hehkulamppu. Myös valoa emittoivaa puolijohdediodia (LED) voidaan käyttää. Oleellista valolähteelle on leveä spektraalinen kaista, ts. monokromaattinen valo ei sovi. Lisäksi tarvitaan suur-10 ta ja tasaista intensiteettiä. Säteenjakajana 2 voidaan käyttää säteenjakajaprismaa, puoliläpäisevää peiliä tms. Säteenjakajan optinen laatu on tärkeä. Jakosuhde voi olla muukin kuin 1:1. Säteenjakajasta menee toinen valonsäde mitattavaan kohteeseen 4 ja toinen säde vertailu-15 laitteeseen 3, joka on varustettu sähkömekaanisella toimilaitteella (kuvioissa 1 ja 3 esittämättä) sen asennon ja siten myös vertailumatkan säätämistä varten. Keksinnön mukaisesti säädetään tätä matkaa, siten kuin alempana selitetään, jaksollisesta ja mahdollisimman tasaisesti 20 edestakaisin liikkuvalla toimilaitteella. Matkaa voidaan säätää myös optisesti esim. kierrettävän lasilevyn avulla. Yksinkertainen sähkömekaaninen toimilaite on kaiu-tinkoneisto, jonka liikkuvaan kalvoon peili kiinnitetään. Linssien avulla saadaan aikaan riittävä valon in-25 tensiteetti ja pieni mittausvalopisteen koko. Vertailu-matkaan liittyvästä peilistä ja mitattavasta kohteesta U heijastuneet, yhtä pitkän matkan kulkeneet valonsäteet johdetaan ilmaisimella 5· Ilmaisimena voidaan käyttää tavallista piivalodiodia.The light source 1 is an incandescent lamp. A light emitting semiconductor diode (LED) can also be used. A broad spectral band is essential for the light source, i.e. monochromatic light is not suitable. In addition, a high of 10 and a constant intensity are required. As the beam splitter 2, a beam splitter prism, a semipermeable mirror, etc. can be used. The optical quality of the beam splitter is important. The split ratio can be other than 1: 1. From the beam splitter, one light beam goes to the object to be measured 4 and the other beam to the reference-15 device 3, which is equipped with an electromechanical actuator (not shown in Figures 1 and 3) for adjusting its position and thus also the reference distance. According to the invention, this distance is adjusted, as will be explained below, periodically and as evenly as possible by a reciprocating actuator. The distance can also be adjusted optically, for example by means of a rotatable glass plate. A simple electromechanical actuator is an echo sounder mechanism to which a mirror is attached to a moving diaphragm. The lenses provide sufficient light in-25 intensity and a small measurement light spot size. Equidistant light rays reflected from the reference distance mirror and the object to be measured U are conducted by detector 5 · A standard silicon LED can be used as the detector.

30 Kuvion 2 mukaisessa kytkennässä ilmaisimelta 5 saatu signaali vahvistetaan vahvistimella 6 ja johdetaan kaistanpäästösuodattimeen 7. Tämä on mahdollista, koska interferenssin taajuus on vakiosuuruinen vertailumatkan muutosnopeuden johdosta. Koska interferenssi on hyvin 35 lyhyt, tyypillisesti vain noin kuusi sinijaksoa pitkä, 5 66690 on kaistanpäästösuodattiraen 7 Q-arvon oltava noin kolme. Suodattimen avulla voidaan vaimentaa mm. yleisvalaistuk-sesta johtuvia häiriöitä. Interferenssipulssi tasasuunna-taan ja suodatetaan aiipäästösuodattimellä 8. Saadun ver-5 hokäyräpulssin alkuhetki ilmaistaan. Koska peräkkäisten pulssien amplitudi voi vaihdella suurissa rajoissa, käytetään ns. vakiomurto-osailmaisintä 10. Kohinasta syntyvät virhepulssit estetään minimirajavertailijalla 11, ts. pulssin amplitudin on ylitettävä asetettu vakioarvo, 10 ennen kuin se hyväksytään.In the circuit according to Figure 2, the signal received from the detector 5 is amplified by an amplifier 6 and passed to a bandpass filter 7. This is possible because the frequency of interference is constant due to the rate of change of the reference distance. Since the interference is very short, typically only about six sinusoids long, the Q-value of the bandpass filter filter 7 must be about three. The filter can be used to attenuate e.g. interference from general lighting. The interference pulse is rectified and filtered by a low-pass filter 8. The start time of the obtained ver-5 waveform pulse is indicated. Since the amplitude of successive pulses can vary within large limits, the so-called a standard fractional detector 10. The error pulses generated by the noise are blocked by the minimum limit comparator 11, i.e. the amplitude of the pulse must exceed the set constant value, 10 before it is accepted.

Interferenssihetken tarkempi ajoitus suoritetaan interferenssisignaalin nollanylitysvertailijän 12 avulla. Tämä tarkkailee vakiomurto-osailmaisimen ilmoittaman interferens sihetken jälkeistä seuraavaa nollaylitystä. 15 Vertailumatkaa säätävänä toimilaitteena käytetään esitetyssä suoritusmuodossa peilillä varustettua kaiutinta 13, jota syötetään kolmioaaltogeneraattorilia 1¾. Kaiuttimen nolla-asento voidaan tarvittaessa muuttaa summaamalla sen syöttöjännitteeseen pieni tasakomponentti. 20 Havaitulla interferenssihetkellä tallennetaan toimilaitteen asentoon verrannollinen jännite näytteenotto- ja pitopiireihin 15, joihin tallennus tapahtuu vuorotellen aina toimilaitteen liikesuunnan mukaan. Kun keskiarvoiste-täan summaimella 16 näytteenotto- ja pitopiirien jän-25 nite,eliminoituu toimilaitteen mahdollisen hystereesin vaikutus mittaustulokseen. Summaimen lähdöstä saadaan mitattavaan matkaan verrannollinen jännite. Laskurilla 17 lasketaan toimilaitteen edestakaisten liikkeiden määrä. Laskuri nollautuu interferenssin havaitsemishetkellä, 30 jolloin se toimii puuttuvien interferenssien ilmaisijana.More accurate timing of the interference moment is performed by the interference signal zero crossing comparator 12. This monitors the next zero crossing after the interference moment reported by the standard burglary sub-detector. In the embodiment shown, a loudspeaker 13 with a mirror, which is fed to a triangular wave generator 1¾, is used as the actuator for adjusting the reference distance. If necessary, the zero position of the speaker can be changed by summing a small DC component to its supply voltage. At the time of the detected interference, a voltage proportional to the position of the actuator is stored in the sampling and holding circuits 15, which are stored alternately according to the direction of movement of the actuator. By averaging the voltage of the sampling and holding circuits with the adder 16, the effect of any hysteresis of the actuator on the measurement result is eliminated. A voltage proportional to the distance to be measured is obtained from the output of the adder. The counter 17 counts the number of reciprocating movements of the actuator. The counter is reset at the time of interference detection, at which point it acts as an indicator of missing interference.

Interferenssipulssin verhokäyrän maksimiamplitudia tarkkaillaan maksimiarvoilmaisimella 18. Maksimiarvon ylittäessä asetetun arvon saadaan tästä tieto.The maximum amplitude of the envelope of the interference pulse is monitored by the maximum value detector 18. When the maximum value exceeds the set value, information is obtained.

Puuttuvien interferenssien ilmaisimelta ja mak-35 simiarvon ilmaisimelta saatavia tietoja käytetään ohjaa- 6 66690 maan vaimenninta 19 (vaimennus n. 20 - 30 dB), jonka tehtävänä on vaimentaa hyvästä pinnasta mitattua inter-ferenssisignaalia elektroniikalta vaadittavan dynamiikan pienentämiseksi.The data from the missing interference detector and the maximum 35 detector are used to control the attenuator 19 (attenuation approx. 20-30 dB), which is used to attenuate the interference signal measured from a good surface to reduce the dynamics required of the electronics.

5 Esitetyn laitteen etuna on, että usein vaikeasti mitattava matka muunnetaan helposti mitattavaksi vertai-lumatkaksi. Mittaus onnistuu parhaiten tasaisesta kiiltävästä pinnasta. Pinnan epätasaisuus heikentää ja pidentää interferenssiä, mitä voidaan käyttää pinnan kohti-10 suoran tasaisuuden mittana.5 The advantage of the device shown is that the often difficult-to-measure distance is converted into an easily measurable reference distance. The measurement is best done on a flat shiny surface. Surface roughness weakens and prolongs the interference, which can be used as a measure of per-10 straight flatness.

Laitteen erottelukyky on periaatteessa parempi kuin X/8 eli 0,5 ym:n keskimääräisellä aallonpituudella noin 60 nm. Mittausalueen rajottavat nopeusvaatimus ja vertailumatkaa säätävä toimilaite. Esimerkkiarvona 15 on 1 mm:n mittausmatka sekunnissa, jota voi tarvittaessa nopeuttaa kohinan kustannuksella aina mitattavan pinnan mukaan 1 - 2 dekadia.The resolution of the device is in principle better than X / 8, i.e. with an average wavelength of about 60 nm at about 0.5 nm. The measuring range is limited by the speed requirement and the actuator that adjusts the reference distance. The example value 15 is a measuring distance of 1 mm per second, which can be accelerated at the expense of noise by 1 to 2 decades, depending on the surface to be measured, if necessary.

Interferometrin toinen sovellutus on ohuiden, läpinäkyvien monikerrosmuovikalvojen paksuusraittaus. Kuten 20 kuviosta 3 käy ilmi (viitenumerot 21, 22, 23 ja 25 vastaavat kuvion 1 viitenumerolta 1, 2, 3 ja 5), monikerrosmuovikalvo 20 asetetaan taustapeilin 2h eteen (kalvo voi olla liikkeessä). Mittausperiaatteesta johtuu, että saadaan ainakin kolme interferenssiä, nimittäin kalvon 25 etupinnasta, sen takapinnasta sekä taustapeilistä. Lisäksi todennäköisesti esiintyy korkeamman kertaluvun interferenssejä. Koska etu- ja takapinnan interferenssit eivät esiinny samanaikaisesti, ehtii kalvo yleensä liikkua ' merkittävästi interferenssihetkien väliaikana. Jos pak- 30 suustieto nyt laskettaisiin etu- ja takapinnan interferenssien erotuksesta, aiheuttaisi kalvon mittaussäteen suuntainen liike tulokseen virhettä. Virhe voidaan välttää käyttämällä hetkelliseen paksuusmittaukseen taustapeilin .aiheuttaman interferenssin kalvosta johtuvaa siir-35 tyraää. Taustapeilin aiheuttaman interferenssin paikka on ^ 66690 mittauslaitteen muistissa, kun kalvo ei ole säteessä.Another application of the interferometer is the thickness stripping of thin, transparent multilayer plastic films. As shown in Fig. 3 (reference numerals 21, 22, 23 and 25 correspond to reference numerals 1, 2, 3 and 5 in Fig. 1), the multilayer plastic film 20 is placed in front of the rearview mirror 2h (the film may be in motion). It follows from the measurement principle that at least three interferences are obtained, namely from the front surface of the film 25, its back surface and the rear-view mirror. In addition, higher-order interferences are likely to occur. Since the front and back surface interferences do not occur simultaneously, the film usually has time to move 'significantly' between the moments of interference. If the thickness information were now calculated from the difference between the front and rear surface interferences, movement of the film in the direction of the measuring radius would cause an error in the result. The error can be avoided by using the transmission film due to the interference caused by the rear-view mirror for the instantaneous thickness measurement. The location of the interference caused by the rearview mirror is ^ 66690 in the memory of the measuring device when the film is not in the beam.

Kalvon aiheuttama interferenssin paikan muutos on (n - 1)·d, jossa n on kalvon taitekerroin ja d on sen paksuus. Kalvon etu- ja takapinnan interferenssi-5 matkojen erotus on vastaavasti n*d, mutta tämä mittaus oli herkkä kalvon säteensuuntaiselle liikkeelle. Keski-arvoistamalla havaittuja n*d-arvoja saadaan kuitenkin keskimääräinen paksuus mitatuksi tälläkin tavalla. Näin saatua tietoa on kuitenkin parempi käyttää taitekertoimen 10 laskemiseen ja kontrollointiin. Mainituista kahdesta yhtälöstä ja kahdesta tuntemattomasta voidaan näet ratkaista sekä kalvon paksuus että taitekerroin.The change in the place of interference caused by the film is (n - 1) · d, where n is the refractive index of the film and d is its thickness. The difference between the front and back surface interference-5 distances of the film is n * d, respectively, but this measurement was sensitive to the radial movement of the film. However, by averaging the observed n * d values, the average thickness can be measured in this way as well. However, the information thus obtained is better used to calculate and control the refractive index 10. From the two equations mentioned and from the two unknowns, both the film thickness and the refractive index can be solved.

Taustapeilin 2k ei tarvitse olla optisesti korkeatasoinen. Oleellista on, että sen pinnan suoruus ja ta-15 saisuus vastaa haluttua mittaustarkkuutta. Optinen heijas-tuskerroin voi olla pienikin, esim. Ί0%. Korkeatasoinen peilipinta voi jopa aiheuttaa ongelmia, koska pinnan suunta on tällöin hyvin kriittinen.The rear-view mirror 2k does not have to be of an optically high standard. It is essential that its surface straightness and evenness correspond to the desired measurement accuracy. The optical reflection coefficient can be small, e.g. Ί0%. A high-quality mirror surface can even cause problems, because the orientation of the surface is then very critical.

Useampikertaiset heijastukset kalvon 20 sisällä 20 ja taustapeilin 2k ja kalvon välissä aiheuttavat korkeamman kertaluvun interferenssejä. Ne saattavat olla niin voimakkaita, että niitä ei voi eliminoida amplitudiarvon perusteella. Pitemmän optisen matkan vuoksi korkeamman kertaluvun interferenssi on helppo erottaa kalvon etu-25 ja takapinnan interferensseistä, mutta taustapeilin interferenssin paikan määritys voi sotkeentua.Multiple reflections within the membrane 20 20 and between the rearview mirror 2k and the membrane cause higher order interference. They may be so strong that they cannot be eliminated based on the amplitude value. Due to the longer optical distance, higher-order interference is easy to distinguish from the front-25 and rear-surface interferences of the film, but the determination of the interference location of the rear-view mirror can become tangled.

Mikäli ilmaväli kalvon ja peilin välissä on suuruudeltaan n*d, on tilanne vaikea, koska tällöin taustapeilin interferenssi ja kalvon sisäisestä heijastuksesta 30 johtuva interferenssi osuvat päällekkäin. Tämän tilanteen välttämiseksi on syytä menetellä ohuiden ja paksujen kalvojen tapauksessa seuraavasti. Mikäli kalvo on yli 100 pm paksu, asetetaan kalvo mahdollisimman lähelle taustapeiliä, jolloin sallittu ilmaväli on suunnilleen sama kuin 35 kalvon paksuus. Tällöin taustapeilin aiheuttama, oleellisin interferenssi on helposti paikallistettavissa, 66690 koska se on matka-asteikolla kolmantena (takapinnan interferenssin jälkeen) ja joka tapauksessa taustapeilin referenssi-interferenssin jälkeen. Ohuiden kalvojen tapauksessa taas ilmaväli on syytä valita suureksi, 5 esim. 1+00 ym:ksi. Tämä arvo ei ole kriittinen, aivan hyvin voi käyttää arvoja 200 ja 600 ym:n väliltä. Ylärajan määrää interferometrin optiikan polttoväli, ts. mittauspisteen syvyyssuuntainen terävyys. Alarajalla taas voi tulla ongelmia korkeamman kertaluvun interferensseis-10 tä, joiden tulkinnassa voidaan erehtyä. Mikäli ilmaväli on mielekäs, on taustapeilin aiheuttama interferenssi ensimmäisenä ja todennäköisesti ainoana taustapeilin referenssimatkan jälkeen.If the air gap between the film and the mirror is n * d, the situation is difficult because the interference of the rearview mirror and the interference due to the internal reflection 30 of the film overlap. To avoid this situation, in the case of thin and thick films, the following procedure should be followed. If the film is thicker than 100, the film is placed as close as possible to the rear-view mirror, so that the permissible air gap is approximately the same as the thickness of the film. In this case, the most significant interference caused by the rear-view mirror can be easily located, 66690 because it is third on the travel scale (after rear-surface interference) and in any case after the reference interference of the rear-view mirror. In the case of thin films, on the other hand, the air gap should be chosen to be large, 5 e.g. 1 + 00, etc. This value is not critical, values between 200 and 600 etc. can very well be used. The upper limit is determined by the focal length of the interferometer optics, i.e. the depth of field in the depth direction of the measuring point. At the lower limit, on the other hand, there may be problems with higher-order interferences, which can be misinterpreted. If the air gap is meaningful, the interference caused by the rearview mirror is the first and probably the only one after the reference distance of the rearview mirror.

Monikerroksisissa muoveissa välikerrosten aiheut-15 tamat interferenssit näkyvät melko usein, tosin interferenssien amplitudi on pieni, mutta kuitenkin riittävä välikerrosten paksuuden mittaukseen. Se, että pienetkin heijastukset saadaan laitteella esiin, johtuu kiinteästä referenssisäteestä. Interferenssi-ilmaisindiodin ulostulo-20 signaali on verrannollinen referenssisäteen ja mitattavasta kohteesta heijastuneen säteen tuloon. Koska referenssi oli kiinteä, seuraa tästä suuri dynaaminen mittausalue, luokkaa 1:1000 heijatuskertoimen vaihteluna. Useimmissa muissa interferometreissä myös referenssisäde 25 heijastuu mitattavista pinnoista, jolloin dynaaminen alue supistuu huomattavasti, esim. arvoon 1:30.In multilayer plastics, the interferences caused by the interlayers are quite common, although the amplitude of the interferences is small, but still sufficient to measure the thickness of the interlayers. The fact that even small reflections are detected by the device is due to a fixed reference beam. The output-20 signal of the interference detector diode is proportional to the input of the reference beam and the beam reflected from the object to be measured. Since the reference was fixed, a large dynamic measuring range follows, in the order of 1: 1000 as a variation of the reflection coefficient. In most other interferometers, the reference beam 25 is also reflected from the surfaces to be measured, whereby the dynamic range is significantly reduced, e.g. to 1:30.

Monikerroksisten muovien mittauksessa eivät väli-kerrokset siis aina joka kohdassa tule esiin. Tästä ei kuitenkaan ole suurta haittaa, koska muovikalvoa voidaan 30 liikuttaa tai se liikkuu, jolloin mittauksen kannalta edullisia kohtia tulee säännöllisesti esiin. Tuloksena on tällöin saatavissa välikerrosten keskimääräinen paksuus. Monikerroksisten muovien mittausetäisyyden suhteen pätee sama kuin yksikerroksisten muovien mittausetäisyy-35 den suhteen.Thus, in the measurement of multilayer plastics, the intermediate layers do not always appear at every point. However, this is not a great disadvantage, because the plastic film can be moved or it moves, whereby points advantageous from the point of view of measurement appear regularly. The result is then the average thickness of the intermediate layers. The same applies to the measuring distance of multilayer plastics as to the measuring distances of single-layer plastics.

9 666909 66690

Laitteen käytännöllisessä toteutuksessa täytyy mittauselektroniikalle antaa tieto tutkittavan pinnan, muovikalvon tm. laadusta ja karkea tieto odotettavissa olevasta paksuudesta tai pinnankorkeudenvaihtelusta.In the practical implementation of the device, the measuring electronics must be given information about the surface to be examined, the plastic film, etc. quality and rough information on the expected thickness or height variation.

5 Odotettavissa olevien interferenssien minimilukumäärä on sopiva tieto osoittamaan toimintamuodon (mode). Mitattaessa läpinäkymättömien pintojen profiilia on odotettavissa vain yksi interferenssi,ja vastaava toimintamuoto on "mode 1". Mikäli läpinäkymättömän aineen 10 päällä on läpinäkyvä kalvo, on odotettavissa kaksi interferenssiä, yksi kalvon kummastakin pinnasta. Vastaava toimintamuoto on "mode 2".5 The minimum number of expected interferences is suitable information to indicate the mode. When measuring the profile of opaque surfaces, only one interference is expected, and the corresponding mode of operation is "mode 1". If there is a transparent film on the opaque material 10, two interferences are expected, one on each surface of the film. The corresponding mode is "mode 2".

Yksikerroksisilla muovikalvoilla on vastaavasti odotettavissa kolme interferenssiä mahdollisen korkeam-15 man kertaluvun interferenssien 1 isäksi , toimintamuoto on "mode: 3". Monikerroksisilla kalvoilla on odotettavissa vähintään k oleellista interferenssiä, toimintamuoto on "mode h". Mikäli havaittujen interferenssien määrä ei vastaa annettua, laite varoittaa käyttäjää kehottamal-20 ia tarkistamaan moden tai näytteen.Correspondingly, three interferences are expected with single-layer plastic films as the father of possible higher-order interferences 1, the mode of operation being "mode: 3". For multilayer films, at least k significant interferences are expected, the mode of operation being "mode h". If the amount of interference detected does not match that given, the device warns the user to check the mode or sample.

Jakamalla mittaus eri toimintamuotoihin ja valitsemalla mittausetäisyys karkean paksuustiedon mukaisesti voidaan tietojenkäsittelyohjelma saada toimintavarmaksi ja yksinkertaiseksi. Odotettavissa oleva interferenssien 25 määrä ja paikka on siis laitteelle sisäisesti määritetty ennen mittauksien alkua.By dividing the measurement into different operating modes and selecting the measuring distance according to the rough thickness data, the data processing program can be made reliable and simple. The expected number and location of interferences 25 is thus determined internally for the device before the measurements begin.

Claims

10 6 6 6 9 0 Claims:

A method for measuring the thickness of short distances, e.g. overlapping films, with an incoherent 5 light interferometer, in which the incoherent light beam is transmitted via a beam splitter (2) to an object (* 0 to be determined) and to a reference device (3) »j® as the light rays reflected from the reference device are received by an interference detector (5) which detects interference when the distances of the reference device (3) and the target (* 0 to the beam splitter (2) are equal, the reference distance being periodically adjusted by an automatic mechanism, the interference is monitored electronically) 15 interference detector, characterized in that at the moment of interference the position of the reference device (3) or the object to be measured (* 0) is read from a position sensor connected to the automatic mechanism or the like, and the reference distance is adjusted at a constant speed over 20 measuring ranges.

A method for measuring the thickness of at least a single-layer film according to claim 1, characterized in that the plastic film (20) to be measured is placed in front of the mirror (2 * 0), the measurement result is obtained from the mirror interference caused by the plastic film (20) and the mirror ( The 2 * 0 distance from the plastic film (20) is selected as a function of the approximate thickness of the film (20).

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the detection of the interference is carried out first roughly by means of an interference envelope and then accurately by means of a zero detection indicator. * +. Interferometer for short-distance measurements using incoherent light, including a light source emitting incoherent light (O, 66690 divider (2) for dividing the light beam from the source to the reference device (3) on the one hand and to the object to be measured (lt) on the other) 5) for receiving reflected light rays from the reference device (3) and the target (k), and means (13, 1 * 0 for adjusting the position of the reference device (3), said means for adjusting the position of the reference device (3) comprising a periodically operating an automatic mechanism (13, 14), characterized in that this mechanism 10 (13, 1¾) is adapted to cause a periodic change of the reference distance at a constant speed over the entire measuring range, such that the interference detector (3) is connected to said automatic mechanism (13, 1); **) that at the moment of interference the position of the mechanism can be read and with it the reference distance.

Interferometer according to Claim U, characterized in that the automatic mechanism is an electromechanical device (13) with conductor windings, for example a loudspeaker mechanism with a mirror attached to the membrane.

Interferometer according to Claim k, characterized in that a circuit (14) supplying a periodic, constant-rate triangular voltage is connected to the winding.

An interferometer according to claim 6, characterized by means for conducting the signal from the detector (5) via a possible amplifier (6) to a bandpass filter (7), after which a rectifier (8) and a low-pass filter (9) are connected to generate a curtain pulse.

Interferometer according to one of Claims 1 to 7, characterized in that it comprises a sampling and holding circuit (> 5) for storing an automatic mechanism (13.1 1U) in a position proportional to an electrical quantity at the time of interference. 12 66690