RU2147728C1 - Interferometric device for contactless measurement of thickness - Google Patents
Interferometric device for contactless measurement of thickness Download PDFInfo
- Publication number
- RU2147728C1 RU2147728C1 RU98120233A RU98120233A RU2147728C1 RU 2147728 C1 RU2147728 C1 RU 2147728C1 RU 98120233 A RU98120233 A RU 98120233A RU 98120233 A RU98120233 A RU 98120233A RU 2147728 C1 RU2147728 C1 RU 2147728C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- beam splitter
- fiber
- polarization
- light
- measured layer
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к измерительной технике, а именно к оптическим интерферометрам, и может быть использовано для непрерывного бесконтактного дистанционного измерения толщины. The proposed device relates to measuring technique, namely to optical interferometers, and can be used for continuous non-contact remote measurement of thickness.
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. The task of continuous non-contact thickness measurement arises in the production of sheet materials (rolled metal, sheet glass, polymer films), in the manufacture of precision parts of complex shape from soft materials that do not allow contact measurements (for example, piston inserts for internal combustion engines), in the optical and semiconductor industry when controlling the thickness and plane parallelism of reference plates and substrates, etc. In this case, high measurement accuracy should be combined with speed, n reliability and, in many cases, resistance to adverse factors in the measurement zone, such as high or low temperature, vibration, electromagnetic interference, aggressive chemical environment, etc.
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. In metallurgy and the polymer industry, for continuous non-contact control of the thickness of opaque materials, radiometric methods are used, as a rule, in which the attenuation of hard x-ray or gamma radiation when passing through a measured layer is measured. The use of sources of hard ionizing radiation (in most cases radioisotope sources are used) creates a number of serious problems related to production ecology, personnel safety, etc. Replacing radiometric control methods with an environmentally friendly and safe optical method would be of great benefit for the respective industries.
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.A device for measuring the thickness of sheet materials is known (Japanese application N 61-8362, Mcl 4 G 01 B 11/06, G 01 B 11/00, G 02 B 7/11, publication 1986), which includes two identical projection systems with a common light source, creating identical test images on both surfaces of the measured layer, as well as two photodetectors, with which the contrast of the test images is measured. Thickness measurement is carried out by searching for the position of the projection system lenses at which the clarity of the test images is maximum. By measuring the distance between the lenses at known focal lengths of the lenses, you can find the thickness of the measured layer.
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. The main disadvantage of the device is the insufficiently high accuracy of the thickness measurement. The relatively low accuracy, which is much inferior to the accuracy of interferometric devices, is an organic disadvantage of the method of measuring distances by optimal focusing, on which the analogue is based.
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 le 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 le 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.Higher measurement accuracy can be achieved in an interferometric device for non-contact thickness measurement, which is used, in particular, for measuring the thickness of the fundus (W. Drexler, Ch. K. Hitzenberger, H. Sattmann, AF Fercher. Measurement of the thickness of fundus layers by partial coherence tomography, Optical Engineering, v. 34, pp. 701-710 (1995)), which contains consecutive, optically coupled light sources with a short coherence length, a measuring interferometer that splits the source radiation into a pair of waves with a known difference stroke (in the described rea ization - a Michelson interferometer comprising a 50% beamsplitter and two blind mirror as well as a device for measuring the path difference created by them), a 50% beam splitter, optically coupled to the measured object, and a detector optically coupled with the beam splitter. A pair of waves with a known path difference l e from the measuring interferometer through the beam splitter falls on the measured layer. When reflected from the front and rear surfaces of the measured layer, each of the incident waves is split into a pair of waves with a travel difference equal to twice the optical distance between the surfaces of the measured layer 2nd; thus, 4 waves emerge from the measured layer. Through a 50% beam splitter, these waves reach the photodetector, where they mix and form an interference pattern. If the reference path difference l e and the doubled optical thickness of the measured layer 2nd differ by no more than the coherence length of the light source, then the wave that has experienced a delay in the measuring interferometer and reflected from the front surface of the measured layer interferes with the wave that has not experienced a delay in the measuring interferometer and reflected from the back surface of the measured layer; otherwise there is no interference. Thus, by the very fact that the interference pattern appears, the optical thickness of the measured layer can be measured accurate to the coherence length (using superluminescent semiconductor diodes, this length is 20 - 40 μm), and the thickness of the measured layer can be measured with the position of interference maxima to an accuracy of small fraction of the wavelength of the light used. Since all the waves travel along the same path outside the measuring interferometer and the measured layer, variations in the optical distance between the measuring interferometer and the measured layer do not affect the operation of the device.
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. The main disadvantages of the prototype are the inability to measure the thickness of the opaque layers, as well as the unsatisfactory accuracy of measurements in an industrial environment. The first drawback is that one of the interfering waves (reflected from the back surface of the measured layer) must pass through the measured layer twice. The second drawback is due to the fact that the measured layer must be within the line of sight of the first beam splitter, i.e. at a distance of no more than a few meters from it. If the measured layer is in conditions of high or low temperature, vibration, electromagnetic interference, etc., the device is also exposed to these factors. This may impair the operation of the prototype device or make it impossible.
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. The problems to which the invention is directed are the development of a device for measuring the thickness of opaque layers accurate to a fraction of the wavelength of the light used, as well as improving the accuracy of measurements under conditions when the measured layer or its environment is exposed to high or low temperature, vibration , acoustic noise, strong electric and magnetic fields, or other factors that impede the operation of precision measuring devices.
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. The specified technical result is achieved due to the fact that the proposed interferometric device for non-contact thickness measurement, as well as the prototype device, contains consecutive, optically coupled light sources, a measuring interferometer and a beam splitter, as well as a photodetector included in the output signal registration system.
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. New in the proposed device is that between the beam splitter and the first surface of the measured layer introduced sequentially located, optically coupled to the first fiber and the first translucent mirror, oriented so that the light reflected from the first translucent mirror and the first surface of the measured layer is directed back to the first fiber , between the beam splitter and the second surface of the measured layer introduced sequentially located, optically coupled to a second fiber and a second translucent green calorie oriented so that the light reflected from the second semitransparent mirror and the second surface layer to be measured is guided back into the second optical fiber, said second optical fiber is optically coupled through the beam splitter to the first optical waveguide.
Для увеличения контрастности интерференционной картины, наблюдаемой в устройстве, целесообразно ввести между светоделителем и вторым световодом вспомогательный светоделитель, связывающий фотоприемник со вторым световодом. To increase the contrast of the interference pattern observed in the device, it is advisable to introduce an auxiliary beam splitter between the beam splitter and the second fiber, connecting the photodetector with the second fiber.
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. To increase the contrast and brightness of the interference pattern observed in the device, between the first optical fiber and the first translucent mirror, a first polarizing element can be introduced, made and oriented so that the polarization of the light entering the beam splitter after reflection from the first translucent mirror and the second surface of the measured layer is orthogonal the polarization of the light coming from the beam splitter into the first fiber, between the second fiber and the second translucent mirror can be entered a swarm polarization element made and oriented so that the polarization of the light entering the beam splitter after reflection from the second translucent mirror and the second surface of the measured layer is orthogonal to the polarization of the light coming from the beam splitter into the second fiber, and a polarizing splitter should be used as a beam splitter, and the photodetector must be optically coupled to the second fiber through the beam splitter.
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. In the particular case of using the design variant of the device according to claim 3 of the claims, quarter-wave phase plates can be used as the first and second polarizing elements.
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. In the particular case of using the design variant according to claim 3, the polarizing elements can be made in the form of loops formed from segments of the first and second optical fibers and serving as quarter-wave phase plates.
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. In the particular case of using the design variant of the device according to claim 3 of the claims, 45-degree Faraday rotators can be used as polarizing elements, and the first and second optical fibers can be made of isotropic optical fiber.
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. To increase the brightness and contrast of the interference pattern observed in the device, in the case when the first and second polarizing elements cannot be placed in the immediate vicinity of the measured layer due to lack of space or adverse environmental conditions, between the beam splitter and the first fiber can be additionally introduced the first polarizing element, made and oriented so that the polarization of the light entering the beam splitter from the first polarizing element is For the polarization of the light coming from the beam splitter to the first polarizing element, between the beam splitter and the second fiber, a second polarizing element can be introduced, made and oriented so that the polarization of the light entering the beam splitter from the second polarizing element is orthogonal to the polarization of the light coming from the beam splitter to the second polarizing element, while a polarizing splitter should be used as a beam splitter, and the photodetector should be op It is optically connected to the second fiber through a beam splitter.
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. In the particular case of the implementation of the device according to claim 1 to 7 of the claims, the ends of the first and second optical fibers can be used as the first and second translucent mirrors.
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. In the particular case of the implementation of the device according to claims 1 to 8 of the claims, the output signal recording system may include a selective amplifier electrically coupled to a photodetector, an amplitude detector electrically coupled to a selective amplifier, a synchronous detector, the first input of which is electrically connected to the output of the amplitude detector, generator a modulating signal, electrically connected to the measuring interferometer and to the second input of the synchronous detector, and a control circuit for the reference path difference, input swarm electrically connected to the output of the synchronous detector and an output electrically connected to the measuring interferometer.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства. In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device.
На фиг. 2 представлена блок-схема варианта конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.2 формулы изобретения. In FIG. 2 shows a block diagram of a design variant of the device according to claim 2.
На фиг. 3 представлена блок-схема варианта конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.3 формулы изобретения. In FIG. 3 presents a block diagram of a design variant of the proposed device corresponding to claim 3 of the claims.
На фиг. 4 представлена блок-схема варианта конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.5 формулы изобретения. In FIG. 4 shows a block diagram of a design variant of the device according to claim 5.
На фиг. 5 представлена блок-схема одного из вариантов конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.7 формулы изобретения. In FIG. 5 is a block diagram of one design variant of the device according to claim 7.
На фиг. 6 представлена блок-схема одного из вариантов конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.9 формулы изобретения. In FIG. 6 shows a block diagram of one design option of the proposed device, corresponding to paragraph 9 of the claims.
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. In FIG. Figure 7 shows the interferogram (the dependence of the illumination at the photodetector on the difference in travel differences arising in the measuring interferometer and in the unfilled part of the gap between the first and second translucent mirrors.
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. In FIG. Figure 8 shows an oscillogram of the difference in the course of interfering waves and an oscillogram of the photocurrent generated by the photodetector during the measurement of thickness in the implementation of the device according to claim 9.
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. The device comprises (see Fig. 1) optically coupled light source 1, a reference interferometer 2, a beam splitter 3, a first fiber 4, a first translucent mirror 5, a measured layer 6, a second fiber 7, a second translucent mirror 8, and a system registering a useful signal, including a photodetector 9, optically coupled to the second light guide 7 through a beam splitter 3. A useful signal of the device is the output signal of the measuring interferometer 2, equal to the travel difference created by it.
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. As a light source 1, a superluminescent diode, LED or any other emitter can be used, the longitudinal coherence length of which is comparable to the wavelength of the light emitted by it.
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. As a measuring interferometer 2, a Michelson interferometer, a low-Q Fabry-Perot interferometer, a Mach-Zehnder interferometer, a Jamen-Lebedev polarizing interferometer, or any other optical interferometer dividing the radiation of a source into a pair of waves with a tunable path difference and equipped with a device for its measurement can be used.
Светоделитель 3 выполняется 50%-ным. The beam splitter 3 is 50%.
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. The first and second optical fibers 4 and 7 can be made in the form of segments of a single-mode optical fiber if high measurement accuracy (up to a fraction of the wavelength of the used light) is required, or in the form of segments of a multimode optical fiber if high measurement accuracy is not required. The ends of the first and second segments of the optical fiber 4 and 7 can be equipped with lenses for input and output of optical radiation (not shown in Fig. 1). In cases where the ends of the first and second optical fibers 4 and 7 cannot be closer to the measured layer 6 by a distance less than or on the order of the diameter of the fiber core multiplied by its numerical aperture (for multimode optical fibers this distance is 100 - 200 μm, for single-mode - at least an order of magnitude less), the use of lenses becomes mandatory.
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. To increase the accuracy of measuring the thickness by increasing the contrast of the interference pattern recorded by the photodetector 9, it is advisable to introduce an auxiliary beam splitter 10 between the beam splitter 3 and the second light guide 7, connecting the photodetector 9 with the second light guide 7 (see Fig. 2). The auxiliary beam splitter 10, as well as the beam splitter 3, it is advisable to perform 50%.
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. To increase the accuracy of measuring the thickness by increasing the brightness and contrast of the interference pattern observed in the device, it is advisable to introduce the first and second polarizing elements 11 and 12 into the device design (see Fig. 3). The polarization element 11 is made and oriented so that the polarization of the light incident on the beam splitter 3 from the first fiber 4 after reflection from the first translucent mirror 4 and the first surface of the measured layer 6 is orthogonal to the polarization of the light coming from the beam splitter 3 into the first fiber 4. Similarly, the polarizing element 12 is made and oriented so that the polarization of the light incident on the beam splitter 3 from the second fiber 7 after reflection from the second translucent mirror 8 and the second surface STI layer 6 is measured, is orthogonal to the polarization of light coming from the beam splitter 3 into the second optical fiber 7. In this case the beam splitter 3 is made as a polarization splitter, ie, the optical element dividing the light beam into two orthogonally polarized beams..; The polarization states of the rays, which we will call the eigenstates of the polarization of the splitter, are determined only by its design. As a polarization splitter, for example, a Savard plate (plane-parallel plate from a uniaxial crystal cut at an angle to the optical axis) or a polarization prism of Wollaston can be used. The polarization state at the output of the measuring interferometer 2 should coincide with that of the eigenstates of polarization of the beam splitter 3, which is sent to the first fiber 4. In some cases, the first and second fibers 4 and 7 are expediently made in the form of segments of an anisotropic optical fiber.
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. In the particular case of the implementation of the device according to claim 3, as the first and second polarizing elements 11 and 12, quarter-wave phase plates are used, the axes of which are oriented at an angle of 45 degrees to the axes of the ellipse of polarization of light entering them from the first and second optical fibers 4 and 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). To reduce light loss, prevent spurious interference due to reflection from the faces of the first and second polarization elements 11 and 12 and simplify the setup in the particular case of implementing the device according to claim 3 of the claims, it is advisable to use loops formed as the first and second polarization elements 11 and 12 from segments of the first and second optical fibers 4 and 7 and performing the function of quarter-wave phase plates (see Fig. 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. In cases where the measuring part of the device, including the light source 1, the measuring interferometer 2, the beam splitter 3 and the registration system of the output signal, must be placed at a considerable distance from the measured layer 6, i.e. with a long length of the first and second optical fibers 4 and 7, in the embodiment of the device according to claim 3, it is advisable to use 45-degree Faraday rotators as the first and second polarizing elements 11 and 12, and the first and second optical fibers 4 and 7 be made of isotropic single-mode optical fiber. This is due to the fact that isotropic optical fibers are much cheaper than anisotropic, 45-degree Faraday rotators can be made of magneto-optical glass (at wavelengths shorter than 1 μm) or yttrium iron garnet (YIG) (at wavelengths longer than 1 μm) based on permanent magnets .
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. If the conditions in the measurement zone (for example, lack of space or high temperature) do not allow placing the first and second polarizing elements 11 and 12 in the immediate vicinity of the measured layer 6, it is advisable to place the first polarizing element 11 between the beam splitter 3 and the first light guide 4, and the second polarizing element 12 - between the beam splitter 3 and the second light guide 7 (see Fig. 5). As the first and second polarization elements 11 and 12, 45-degree Faraday rotators can be used, while the first and second optical fibers 4 and 7 should be made of an anisotropic optical fiber with linear intrinsic polarization, for example, of a PANDA type fiber, whose anisotropy axis should be oriented at an angle of 45 degrees with respect to the polarization of the radiation coming from the beam splitter 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. In addition, as the first and second polarization elements 11 and 12, you can also use quarter-wave phase plates, the axes of each of which are oriented at an angle of 45 degrees with respect to the polarization of the radiation incident on it from the beam splitter 3, while the first and second fibers 4 and 7 should be made of optical fiber with circular intrinsic polarization, for example, of twisted optical fiber.
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. In some cases, for example, if the ends of the first and second optical fibers 4 and 7 are located less than a millimeter from the measured layer, it is advisable to use the ends of the first and second optical fibers 4 and 7 as the first and second translucent mirrors.
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. In the particular case of the device implementation (see Fig. 6), the output signal recording system may include a selective amplifier 13, electrically coupled to a photodetector 9, an amplitude detector 14, electrically coupled to a selective amplifier 13, a synchronous detector 15, the first input of which is electrically connected to the output an amplitude detector 14, a modulating signal generator 16, electrically connected to the measuring interferometer 2 and to the second input of the synchronous detector 15, and a control circuit for the reference path difference 17, the input of which d is electrically connected to the output of the synchronous detector 15, and an output electrically connected to the measuring interferometer 2.
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). Источник света 1 излучает свет с центральной длиной волны λ и с продольной длиной когерентности lcoh. Измерительный интерферометр 2 расщепляет излучение источника света 1 на пару волн с известной управляемой разностью хода le, 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+le, (5)
L+2d1+le, (6)
L+2d2+le, (7)
L+2(d1+d2)+le, (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.The device operates as follows (see Fig. 1). Light source 1 emits light with a central wavelength λ and with a longitudinal coherence length l coh . The measuring interferometer 2 splits the radiation of the light source 1 into a pair of waves with a known controlled path difference l e , which we will call the reference path difference. Through the beam splitter 3 and the first light guide 4, these waves fall on the first translucent mirror 5 and on the first surface of the measured layer 6. Due to the fact that the first light guide 4 is inserted into the device, installed and oriented as indicated in the claims, the beam splitter 3, the first the translucent mirror 5 and the measured layer 6 are optically connected to each other even if they are outside the limits of direct visibility of each other. Due to the fact that between the first optical fiber 4 and the measured layer 6 there is a first translucent mirror 5, when reflected from it and from the first surface of the measured layer 6, each of the waves emerging from the first fiber is split into a couple of waves with a travel difference of 2d 1 , where d 1 - the distance between the first translucent mirror 5 and the first surface of the measured layer 6. Then, through the first fiber 4, these waves fall on the beam splitter 3. Since the second fiber 7 is optically connected through the beam splitter 3 with the first fiber 4, these waves fall into the second swarm fiber 7 and through it to the second translucent mirror 8 and the second surface of the measured layer 6. Due to the fact that the second fiber 7 is inserted into the device design, installed and oriented as indicated in the claims, the first translucent mirror 5 and the first surface of the measured layer 6 are optically coupled to the second translucent mirror 8 and the second surface of the measured layer 6, even if the measured layer 6 is opaque. Since a second translucent mirror 8 is introduced between the second optical fiber 7 and the second surface of the measured layer 6, when reflected from it and from the second surface of the measured layer 6, each of the waves emerging from the second fiber 7 is split into a pair of waves with a travel difference of 2d 2 , where d 2 - the distance between the second translucent mirror 8 and the second surface of the measured layer 6. All waves reflected from the second translucent mirror 8 and the second surface of the measured layer 6 (total 8 waves) are sent by the second light guide 7 to the beam splitter 3 and gave ie on the photodetector 9. The optical path traveled by these waves are recorded as follows:
L, (1)
L + 2d 1 , (2)
L + 2d 2 , (3)
L + 2 (d 1 + d 2 ), (4)
L + l e , (5)
L + 2d 1 + l e , (6)
L + 2d 2 + l e , (7)
L + 2 (d 1 + d 2 ) + l e , (8)
where L is the optical length of the path common to all waves, which includes, firstly, the segment from the measuring interferometer 2 to the first translucent mirror 5, and secondly, the segment from the first translucent mirror 5 to the second translucent mirror 8, and, thirdly, the segment from the second translucent mirror 8 to the photodetector 9. As in the prototype, in the proposed device, the interference signal does not depend on the optical length of the common path L.
В наиболее простом и практически важном случае, когда толщина d измеряемого слоя 6 и расстояния d1, d2 больше, чем длина когерентности lcoh источника света 1, достаточно рассмотреть интерференцию только двух волн: (4) и (5). Эти волны интерферируют только в том случае, если
Интерференционный сигнал, создаваемый этими волнами (зависимость освещенности на фотоприемнике 9 от эталонной разности хода le), 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
le=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.In the simplest and most important case, when the thickness d of the measured layer 6 and the distance d 1 , d 2 are greater than the coherence length l coh of the light source 1, it is sufficient to consider the interference of only two waves: (4) and (5). These waves interfere only if
The interference signal generated by these waves (the dependence of the illumination on the photodetector 9 on the reference path difference l e ) is shown in FIG. 7. Interference maxima (“high-frequency occupancy”) follow with a period of λ; the form of the "envelope" is determined by the coherence function of light source 1. The highest interference maximum is observed at
l e = 2 (d 1 + d 2 ). (10)
Thus, when tuned to the central interference maximum (10), the useful signal of the device (output signal of the measuring interferometer 2) turns out to be 2 (d 1 + d 2 ). By measuring d 1 + d 2 and knowing the distance D between the first and second translucent mirrors 5 and 8, we can find the desired thickness d of the measured layer 6
d = D- (d 1 + d 2 ). (eleven)
In the absence of the measured layer 6, the device allows you to measure the distance D between the first and second translucent mirrors 5 and 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. Due to the fact that the first and second optical fibers 4 and 7, as well as the first and second translucent mirrors 5 and 8, oriented as indicated in the claims, are introduced into the device’s design, the device can be used to measure the thickness of opaque layers, since the thickness of the measured layer 6 is not measured directly, as in the prototype, but by the thickness of the empty gap between the first and second translucent mirrors 5 and 8; it does not matter if the measured layer 6 is transparent or not, but it is only important that its surfaces reflect light.
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. Due to the fact that the first and second optical fibers 4 and 7, oriented as indicated in the claims, are introduced into the device’s circuitry, the optical coupling between the measuring interferometer 2 and the photodetector 9, on the one hand, and the measured layer 6, on the other hand, even provides in the event that they are outside the limits of direct visibility of each other. This allows you to place precision optical, mechanical and electronic elements of the device (light source 1, measuring interferometer 2 and the registration system of the useful signal, including a photodetector 9) at a considerable distance (up to several kilometers) from the measured layer 6, and thus reliably isolate them from adverse conditions in the measurement zone, such as extreme temperatures, acoustic noise, vibration, electromagnetic interference, etc. and thereby increase the accuracy of measurements in an industrial environment.
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. Higher accuracy of thickness measurement can be achieved in the embodiment of the device described in paragraph 2 of the claims (see Fig. 2). Due to the fact that an auxiliary beam splitter 10 is additionally introduced into the device’s structure, which connects the second fiber 7 to the photodetector 9, only waves reflected first from the first translucent mirror 5 and the first surface of the measured layer 6, and then from the second translucent mirror 8, enter the photodetector 9 the second surface of the measured layer 6 reflected from the second translucent mirror 9 and the second surface of the measured layer 6. Due to this, the contrast of the interference pattern recorded by the photodetector 9, higher than in the device according to claim 1, in which light coming directly from the measuring interferometer 2 and not participating in the formation of the interference pattern directly hits the photodetector 9.
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. Even higher accuracy of thickness measurement can be achieved in the embodiment of the device described in claim 3 of the claims (see Fig. 3). This embodiment of the device operates as follows. Due to the fact that the beam splitter 3 is made in the form of a polarization splitter, and the polarization state at the output of the measuring interferometer 2 coincides with the own polarization state of the beam splitter 3, all the light power from the measuring interferometer 2 falls into the first fiber 4. Due to the fact that the first polarization element 11, made and oriented as indicated in the claims, polarization of the radiation emerging from the first fiber 4 after reflection from the first field transparent mirror 5 and the first surface of the measured layer 6, orthogonal to the polarization of light at the input of the first fiber 4. This polarization state is also intrinsic to the beam splitter 3, therefore, all the light power incident on the beam splitter 3 from the first fiber 4 is sent to the second fiber 7. the fact that a second polarizing element 12 is introduced into the design of the device, made and oriented as indicated in the claims, the radiation from the second fiber 7 to the beam splitter 3, polarization The polarization of the light entering the second fiber 7 from the beam splitter 3 is orthogonally polarized. This polarization state coincides with the original one and is intrinsic to the beam splitter 3, therefore, all the light power supplied to the beam splitter 3 from the second fiber 7 is sent by the beam splitter 3 to the photodetector 9. Thus , as in the embodiment of the device according to claim 2, only waves participating in the formation of the interference pattern are incident on the photodetector, however, in the described embodiment of the device, interference cards it has 16 times higher brightness due to elimination of light losses in the beam splitters. This makes it possible to increase the accuracy of measurements.
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. In the particular case of the implementation of the device according to claim 3 of the claims, the quarter-wave phase plates can be used as the first and second polarizing elements 11 and 12. In this case, it is advisable to make the first and second optical fibers 4 and 7 from an anisotropic optical fiber with linear anisotropy (for example, from a fiber of the PANDA type). The axes of the quarter-wave plates should be oriented at an angle of 45 degrees with respect to the optical axes of the first and second optical fibers 4 and 7, and those, in turn, should be oriented parallel to the polarization eigenstates of the beam splitter 3, which should be linear. In this case, the radiation entering the first and second optical fibers 4 and 7 from the beam splitter 3 is polarized along their optical axes, as a result of which the light polarization during propagation through the first and second optical fibers 4 and 7 remains unchanged. Thus, radiation polarized linearly at an angle of 45 degrees to the axes of the latter gets onto the quarter-wave plates 11 and 12. With this input polarization, as a result of the double passage (round-trip) of light through the quarter-wave plate, the polarization rotates 90 degrees, while remaining linear. Thus, the polarization of the light returned to the first and second optical fibers 4 and 7 by the quarter-wave plates 11 and 12 turns out to be orthogonal to the optical axes of the first and second optical fibers 4 and 7. When propagating along the first and second optical fibers 4 and 7, this polarization remains unchanged. As a result, the polarization of the light coming from the first or second optical fibers 4 and 7 to the beam splitter 3 is orthogonal to the initial polarization. Thus, quarter-wave phase plates in combination with optical fibers made of an anisotropic optical fiber with linear anisotropy can serve as the first and second polarization elements 11 and 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. To reduce light loss, to prevent spurious interference due to reflection from the faces of the first and second polarizing elements 11 and 12, and to simplify the setup of the device, the first and second polarizing elements 11 and 12 can be made in the form of loops formed from segments of the first and second optical fibers 4 and 7 and performing the function of quarter-wave phase plates. Due to bending, an additional phase anisotropy arises in the loop, so that the fiber loop can actually serve as a phase plate. When using elements formed from segments of the first and second optical fibers 4 and 7, light losses and spurious interference are eliminated, and device configuration is simplified by reducing the number of degrees of freedom: there are 3 for a discrete element and only 1 for a fiber-optic element.
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)). If necessary, significant removal of the measuring part of the device, including the light source 1, the measuring interferometer 2, the beam splitter 3 and the registration system of the output signal, from the measured layer 6, i.e. with a long length of the first and second optical fibers 4 and 7, it is advisable to use 45-degree Faraday rotators as the first and second polarizing elements 11 and 12, and the first and second segments of the optical fiber should be made of an isotropic single-mode optical fiber, which is significantly cheaper than anisotropic. It is known that the polarization at the output of a system consisting of a segment of an isotropic fiber of arbitrary length, a 45-degree Faraday rotator and a returning mirror is always orthogonal to the input polarization (V.M. Gelikonov, D.D. Gusovsky, V.I. Leonov, M. A. Novikov, Compensation of Birefringence in Single-Mode Optical Fibers, Letters in ZhTF, vol. 13, S.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. In cases where the first and second polarizing elements 11 and 12 cannot be placed in the immediate vicinity of the measured layer 6 (for example, due to lack of space or adverse environmental conditions, such as high temperature), it is advisable to arrange the first polarizing element 11 between the beam splitter 3 and the first light guide 4, and the second polarizing element 12 between the beam splitter 3 and the second light guide 7. As the first and second polarizing elements 11 and 12, 45-degree faraday can be used rotators, and the first and second optical fibers 4 and 7 can be made of anisotropic optical fibers with linear anisotropy (PANDA type) (see Fig. 5). When passing through a 45-degree Faraday rotator, the polarization of light rotates through an angle of 45 degrees and becomes parallel to one of the axes of anisotropy of the fiber. With the backward passage of light through a 45-degree Faraday rotator, the polarization rotates another 45 degrees in the same direction: thus, the polarization at the output of the polarizing element is orthogonal to the original one, as required.
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. The same is achieved if, as the first and second polarizing elements 11 and 12, quarter-wave phase plates are used, the axes of each of which are oriented at an angle of 45 degrees with respect to the polarization of the light coming into it from beam splitter 3, and the first and the second optical fibers 4 and 7 are made of an optical fiber with circular anisotropy, for example, of a twisted optical fiber. A quarter-wave plate converts linearly polarized light incident on it from a beam splitter 3 into circularly polarized. Since the polarization of circularly polarized light is preserved during propagation through a fiber with circular anisotropy, circularly polarized radiation with a direction of rotation opposite to the original one gets from the fiber to the quarter-wave plate. A quarter-wave plate converts this radiation to linearly polarized, the polarization of which is orthogonal to the original.
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 le 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
где lм - амплитуда модуляции оптического пути, fм - 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 fм. 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
le 0 = 2(d1+d2) (13)
(le 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 le 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.In the particular case of the device, when a selective amplifier 13, an amplitude detector 14, a synchronous detector 15, a modulating signal generator 16 and a control circuit 17 of the reference path difference (see Fig. 6) are introduced into the registration system, the thickness of the measured layer 6 is measured as follows . The modulating signal generator 16 provides sawtooth modulation of the reference path difference l e in the measuring interferometer 2 (see Fig. 8). The interference signal generated by the photodetector 9 in the process of measuring the thickness (its form is shown in Fig. 8) is fed to a selective amplifier 13 tuned to the frequency of interference oscillations of the photocurrent
where l m is the modulation amplitude of the optical path, f m is the modulation frequency. The amplitude detector 14 selects the envelope of interference oscillations of illumination at the photodetector 9. The detected interference signal from the output of the amplitude detector 14 is fed to the input of the synchronous detector 15, which extracts the first harmonic of the modulation frequency f m from it . The output signal of the synchronous detector 15, proportional to this first harmonic, is fed to the control circuit 17 of the reference path difference. Since the interference signal is symmetrical with respect to the central interference maximum, with the fine tuning of the interferometer
l e 0 = 2 (d 1 + d 2 ) (13)
(l e 0 is the average value of the reference path difference) the first harmonic of the modulation frequency in the Fourier spectrum of the photocurrent is zero. In case of violation of equality (13), odd harmonics of the modulation frequency appear in the Fourier spectrum of the photocurrent, which are emitted by the synchronous detector 15, the output signal of which serves as an error signal for the control circuit 17 of the reference path difference, which tunes l e 0 so as to reverse the first harmonic oscillations of the photocurrent to zero, i.e. to restore equality (13). Thus, the average value of the reference stroke difference is maintained equal to the thickness of the unfilled gap between the translucent mirrors 5 and 8. From this, knowing the distance between the translucent mirrors 5 and 8, we can find the thickness of the measured layer 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 lcoh ≈ 30 мкм и мощность 0,7 мВт. В качестве измерительного интерферометра 2 используется интерферометр Майкельсона. Модуляция эталонной разности хода le осуществляется при помощи одного из зеркал измерительного интерферометра, закрепленного на громкоговорителе ЗГД-38Е. Перестройка среднего значения эталонной разности хода le 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 le 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.In a specific implementation of the device, the superluminescent diode LM2-850 manufactured by the Volga Research Institute, Saratov, has a central wavelength λ = 0.83 μm, a longitudinal coherence length l coh ≈ 30 μm, and a power of 0.7 mW. . As a measuring interferometer 2, a Michelson interferometer is used. Modulation of the reference travel difference l e is carried out using one of the mirrors of the measuring interferometer mounted on the ZGD-38E loudspeaker. The reconstruction of the average value of the reference path difference l e 0 is performed using the second Michelson interferometer mirror, which is moved with the help of the DSHI-200 stepper motor with a step of 0.9 degrees, connected to a micrometer screw with a thread pitch of 1 mm. To measure the average value of the reference stroke difference, a ruler with a photomask is used, which has a digital output and ensures the accuracy of determining the position of a moving mirror up to 5 μm. The first and second optical fibers 4 and 7 are made of standard multimode fiber with a core diameter of 50 μm and have a length of 50 m, their ends are equipped with lenses for input and output of optical radiation. The distance between the first and second translucent mirrors 5 and 8 is 1.5 cm, the distance between the translucent mirrors 5 and 8 and the ends of the optical fibers 4 and 7 is 8 cm. As a photodetector 9, a FD-24K silicon photodiode is used. To modulate the optical path, a voltage is applied in the form of a symmetrical saw with a frequency of 8 Hz. The modulation amplitude of the reference path difference l e reaches 0.4 mm. The device provides continuous (in time) measurement of the thickness of transparent and opaque objects in the range from 0.0005 to 1.5 cm with an accuracy of 5 microns.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98120233A RU2147728C1 (en) | 1998-11-10 | 1998-11-10 | Interferometric device for contactless measurement of thickness |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98120233A RU2147728C1 (en) | 1998-11-10 | 1998-11-10 | Interferometric device for contactless measurement of thickness |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2147728C1 true RU2147728C1 (en) | 2000-04-20 |
Family
ID=20212110
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98120233A RU2147728C1 (en) | 1998-11-10 | 1998-11-10 | Interferometric device for contactless measurement of thickness |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2147728C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105571499A (en) * | 2015-12-21 | 2016-05-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Non-contact optical element center thickness measuring device and measuring method |
| CN105572072A (en) * | 2015-12-21 | 2016-05-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Transparent optical material group refractive index measuring device and method |
| CN114518072A (en) * | 2022-02-22 | 2022-05-20 | 江苏铁锚玻璃股份有限公司 | Device applied to transparent part thickness detection and using method thereof |
-
1998
- 1998-11-10 RU RU98120233A patent/RU2147728C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. W.DREXLER et al. Measurement of the thickness of fundus layers by partial coherence tomography. Optical Engineering. V.34, p.701-710, 1995. 2. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105571499A (en) * | 2015-12-21 | 2016-05-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Non-contact optical element center thickness measuring device and measuring method |
| CN105572072A (en) * | 2015-12-21 | 2016-05-11 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Transparent optical material group refractive index measuring device and method |
| CN114518072A (en) * | 2022-02-22 | 2022-05-20 | 江苏铁锚玻璃股份有限公司 | Device applied to transparent part thickness detection and using method thereof |
| CN114518072B (en) * | 2022-02-22 | 2023-08-29 | 江苏铁锚玻璃股份有限公司 | Device applied to thickness detection of transparent piece and application method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4746216A (en) | Angle measuring interferometer | |
| US4688940A (en) | Heterodyne interferometer system | |
| US4859066A (en) | Linear and angular displacement measuring interferometer | |
| KR100328007B1 (en) | Superheterodyne method and apparatus for measuring the refractive index of air using multiple-pass interferometry | |
| US5341205A (en) | Method for characterization of optical waveguide devices using partial coherence interferometry | |
| CN102645172B (en) | Common-channel OCT (optical coherence tomography) ultra-large range space measurement system and method | |
| US4752133A (en) | Differential plane mirror interferometer | |
| US4717250A (en) | Angle measuring interferometer | |
| EP0512450B1 (en) | Wavelength variation measuring apparatus | |
| JP2011220890A (en) | Heterodyne interferometric displacement measurement apparatus | |
| EP1225420A2 (en) | Laser-based interferometric measuring apparatus and method | |
| US3708229A (en) | System for measuring optical path length across layers of small thickness | |
| CN106969845B (en) | The detection method and device of each light beam optical path difference of optical fibre matrix type point source generator | |
| JP4208069B2 (en) | Refractive index and thickness measuring apparatus and measuring method | |
| US4807997A (en) | Angular displacement measuring interferometer | |
| RU2147728C1 (en) | Interferometric device for contactless measurement of thickness | |
| US5028137A (en) | Angular displacement measuring interferometer | |
| Dib et al. | A broadband amplitude-modulated fibre optic vibrometer with nanometric accuracy | |
| US4926040A (en) | Shift sensor with optic fiber | |
| JPH0245138B2 (en) | ||
| RU2141621C1 (en) | Interferometric device to measure physical parameters of clear layers ( versions ) | |
| Dalhoff et al. | Double heterodyne interferometry for high-precision distance measurements | |
| Hand et al. | Extrinsic Michelson interferometric fibre optic sensor with bend insensitive downlead | |
| RU2303237C2 (en) | Interferometer device for measuring optical thickness of a transparent layer or a gap | |
| JPS59166873A (en) | Optical applied voltage and electric field sensor |