RU2303237C2

RU2303237C2 - Interferometer device for measuring optical thickness of a transparent layer or a gap

Info

Publication number: RU2303237C2
Application number: RU2005112608/28A
Authority: RU
Inventors: нов Андрей Юрьевич Лукь (RU); Андрей Юрьевич Лукьянов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ОПТИС"; Андрей Юрьевич Лукьянов
Priority date: 2005-04-26
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2007-07-20
Also published as: RU2005112608A

Abstract

FIELD: measuring equipment engineering, possible use for noncontact measurement of optical thickness of transparent material layers and gaps between flat-parallel surfaces of elements, one of which is required to be transparent.

SUBSTANCE: device contains light source, delay line and photo-detector. Light polarizer is mounted between the light source and the object being measured. An analyzer is mounted in front of the photo-detector. Delay line is made in form of a phase plate, normal wave phase difference of which may be tuned. The phase plate is mounted in such a way that its normal wave polarization plane makes a 45° angle relatively to polarizer axis direction. Analyzer and photo-detector are made with possible visualization and registration of interference pattern meant for determining the optical thickness of the object being measured.

EFFECT: increased precision and sensitivity of optical thickness measurements.

4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим интерферометрам, и может быть использовано для бесконтактного измерения оптической толщины слоев прозрачных материалов и зазоров между плоскопараллельными поверхностями элементов, по меньшей мере, один из которых должен быть прозрачным. В частности устройство может быть использовано для регистрации толщины стекол и полимерных пленок, мониторинга процессов травления и напыления, регистрации температуры, давления и виброакустических колебаний, а также в качестве рефрактометра и фототермического детектора для жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза. Во всех этих процессах требуется очень высокая точность и чувствительность измерений вплоть до сотых долей ангстрема, поскольку именно эти параметры являются определяющими и во многом задают уровень и возможности технологии.The invention relates to measuring equipment, namely to optical interferometers, and can be used for non-contact measurement of the optical thickness of layers of transparent materials and the gaps between plane-parallel surfaces of the elements, at least one of which must be transparent. In particular, the device can be used to record the thickness of glasses and polymer films, to monitor etching and spraying processes, to register temperature, pressure, and vibroacoustic vibrations, as well as a refractometer and photothermal detector for liquid chromatography and capillary electrophoresis. All these processes require very high accuracy and sensitivity of measurements up to hundredths of an angstrom, since it is these parameters that are decisive and largely determine the level and capabilities of the technology.

Известно устройство, применяемое, в частности, для измерения температуры, основанное на регистрации изменений интерференционной картины, создаваемой зондирующим светом, отраженным от противоположных граней термометрического слоя (Патент Японии JP 61246602, М. кл³. G01B 9/02; G01H 9/00, публикация 01.11.1986). Устройство содержит источник поляризованного света, связанный с помощью оптического делителя с двумя отрезками оптического волокна. Один из отрезков доставляет свет к термометрическому слою и возвращает проинтерферировавший в указанном слое свет обратно к делителю. Второй отрезок соединяет делитель и фотоприемник, регистрирующий изменения интерференционной картины.A device is known, which is used, in particular, for measuring temperature, based on recording changes in the interference pattern produced by probing light reflected from opposite faces of the thermometric layer (Japanese Patent JP 61246602, M. Cl ^3. G01B 9/02; G01H 9/00, publication 11/01/1986). The device comprises a polarized light source coupled using an optical divider with two pieces of optical fiber. One of the segments delivers the light to the thermometric layer and returns the light that interfered in the indicated layer back to the divider. The second segment connects the divider and the photodetector, recording changes in the interference pattern.

Основным недостатком устройства является необходимость использовать источник света с большой длиной когерентности, значительно превышающей оптическую длину термометрического слоя для того, чтобы лучи света, отраженные от противоположных граней вышеуказанного слоя, могли интерферировать между собой. Большая длина когерентности приводит к тому, что наряду с "полезным" светом, отраженным от противоположных граней термометрического слоя, в образовании интерференционной картины принимает участие и свет, отраженный от неоднородностей внутри оптического волокна и от сварных швов в оптическом делителе. Все это существенно усложняет интерференционную картину, особенно в условиях нестационарной температуры окружающей среды, и ограничивает точность и чувствительность измерений.The main disadvantage of the device is the need to use a light source with a long coherence length significantly exceeding the optical length of the thermometric layer so that light rays reflected from opposite faces of the above layer can interfere with each other. The long coherence length leads to the fact that, along with “useful” light reflected from opposite faces of the thermometric layer, light reflected from inhomogeneities inside the optical fiber and from welds in the optical divider also takes part in the formation of the interference pattern. All this significantly complicates the interference pattern, especially in conditions of unsteady ambient temperature, and limits the accuracy and sensitivity of measurements.

Именно по этой причине (чтобы избежать появления дополнительных поверхностей, отражающих свет) термометрический слой в данном устройстве вплотную прижат к концу оптического волокна. Однако такая конструкция оказывается непригодной в том случае, когда в зоне измерений недопустимо присутствие подводящего оптического волокна, и термометрический слой приходится располагать на большом расстоянии от подводящего волокна. Кроме того, данное устройство позволяет регистрировать только изменения оптической толщины термометрического слоя и не пригодно для определения абсолютных величин.It is for this reason (in order to avoid the appearance of additional surfaces that reflect light), the thermometric layer in this device is closely pressed to the end of the optical fiber. However, this design is unsuitable in the case when the presence of a supply optical fiber is unacceptable in the measurement zone and the thermometric layer must be located at a large distance from the supply fiber. In addition, this device allows you to record only changes in the optical thickness of the thermometric layer and is not suitable for determining absolute values.

Недостатки аналога частично преодолены в интерферометрическом устройстве для измерения физических констант прозрачных слоев (патент РФ RU 2141621, М. кл³. G01B 11/06; G01N 21/45, публикация 20.11.1999 г.), которое содержит расположенные последовательно, оптически связанные источник низкокогерентного света, линию оптической задержки, выполненную в разных вариантах в виде интерферометра Фабри-Перо или интерферометра Майкельсона, делитель оптического излучения, отрезок оптического волокна, доставляющий оптическое излучение к измеряемому слою и возвращающий это оптическое излучение обратно на делитель и фотодетектор. Поскольку длина когерентности источника света, используемого в данном устройстве, мала, интерференционная картина возникает в плоскости фотодетектора только в случае совпадения фазовой задержки между лучами света, отраженными от противоположных граней измеряемого слоя, с фазовой задержкой, возникающей в вышеупомянутой линии оптической задержки. Измеряя оптическую длину линии задержки, можно определить не только изменения оптической длины измеряемого слоя, но и его абсолютную оптическую длину. Благодаря тому, что свет, отраженный как от неоднородностей внутри оптического волокна, так и от поверхностей других оптических элементов, не принимает участия в формировании интерференционной картины, прототип пригоден для проведения полностью бесконтактных измерений.The disadvantages of the analogue are partially overcome in an interferometric device for measuring the physical constants of transparent layers (RF patent RU 2141621, M class ^3. G01B 11/06; G01N 21/45, publication November 20, 1999), which contains a source located in series, optically connected low coherent light, the optical delay line, made in different versions in the form of a Fabry-Perot interferometer or a Michelson interferometer, an optical radiation divider, a piece of optical fiber that delivers optical radiation to the measured layer and returns This is the optical radiation back to the divider and photodetector. Since the coherence length of the light source used in this device is small, the interference pattern arises in the photodetector plane only if the phase delay between the light rays reflected from opposite sides of the measured layer coincides with the phase delay occurring in the aforementioned optical delay line. By measuring the optical length of the delay line, it is possible to determine not only the changes in the optical length of the measured layer, but also its absolute optical length. Due to the fact that light reflected both from inhomogeneities inside the optical fiber and from the surfaces of other optical elements does not take part in the formation of the interference pattern, the prototype is suitable for conducting completely non-contact measurements.

Основным недостатком прототипа является его недостаточная чувствительность, связанная с нестабильностью оптической линии задержки, выполненной в разных вариантах в виде интерферометра Фабри-Перо или интерферометра Майкельсона. Один из способов частичного преодоления этого недостатка состоит в использовании различных схем динамической подстройки положения одного из зеркал, образующих вышеуказанный интерферометр, как это делается в современных Фурье-спектрометрах высокого разрешения. Такое решение существенно усложняет конструкцию устройства и увеличивает его стоимость, а также сильно ограничивает его частотный диапазон, но не позволяет решить задачу полностью.The main disadvantage of the prototype is its lack of sensitivity associated with the instability of the optical delay line, made in different ways in the form of a Fabry-Perot interferometer or Michelson interferometer. One way to partially overcome this drawback is to use various schemes for dynamically adjusting the position of one of the mirrors forming the above interferometer, as is done in modern high-resolution Fourier spectrometers. This solution significantly complicates the design of the device and increases its cost, and also greatly limits its frequency range, but does not allow to solve the problem completely.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение чувствительности интерферометрического устройства для измерения оптической толщины прозрачного слоя или оптической толщины зазора между плоскопараллельными поверхностями элементов, один из которых является прозрачным.The problem to which the invention is directed, is to increase the sensitivity of the interferometric device for measuring the optical thickness of the transparent layer or the optical thickness of the gap between the plane-parallel surfaces of the elements, one of which is transparent.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемое интерферометрическое устройство для измерения оптической толщины прозрачного слоя или оптической толщины зазора между плоскопараллельными поверхностями элементов, по меньшей мере, один из которых является прозрачным, так же, как и устройство-прототип, содержит источник света, линию задержки и фотоприемник, входящий в систему регистрации выходного сигнала, при этом измеряемый объект установлен таким образом, что свет, отраженный от обеих его поверхностей, направляется через элементы устройства на фотоприемник.The specified technical result is achieved due to the fact that the proposed interferometric device for measuring the optical thickness of the transparent layer or the optical thickness of the gap between the plane-parallel surfaces of the elements, at least one of which is transparent, as well as the prototype device, contains a light source, a line delays and a photodetector included in the output signal registration system, while the measured object is installed in such a way that the light reflected from both of its surfaces is ravlyaetsya through elements of the device to a photodetector.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что между источником света и измеряемым объектом установлен поляризатор света, перед фотоприемником установлен анализатор, направление оси которого совпадает или ортогонально направлению оси поляризатора, а линия задержки выполнена в виде фазовой пластинки, разность фаз нормальных волн которой может перестраиваться, и установлена так, что плоскость поляризации ее нормальных волн составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора.New in the proposed device is that a light polarizer is installed between the light source and the measured object, an analyzer is installed in front of the photodetector, the axis of which coincides or is orthogonal to the direction of the polarizer axis, and the delay line is made in the form of a phase plate, the phase difference of which normal waves can be tuned, and established so that the plane of polarization of its normal waves is an angle of 45 ° relative to the direction of the axis of the polarizer.

В первом частном случае реализации предлагаемого устройства согласно п.2 формулы изобретения оптическая связь между поляризатором и измеряемым объектом, а также между измеряемым объектом и линией задержки осуществляется по отрезкам оптического волокна, сохраняющего поляризацию, установленным так, что направление оптических осей этих волокон совпадает с направлением оптической оси поляризатора.In the first particular case of the implementation of the proposed device according to claim 2, the optical connection between the polarizer and the measured object, as well as between the measured object and the delay line is carried out along the segments of the optical fiber that preserves the polarization, set so that the direction of the optical axes of these fibers coincides with the direction optical axis of the polarizer.

Во втором частном случае реализации предлагаемого устройства согласно п.3 формулы изобретения оптическая связь между поляризатором, измеряемым объектом и линией задержки, осуществляется с помощью последовательно установленных светоделителя и отрезка оптического волокна, сохраняющего поляризацию и установленного так, что направление оптической оси волокна совпадает с направлением оптической оси поляризатора.In the second particular case of the implementation of the proposed device according to claim 3, the optical connection between the polarizer, the measured object and the delay line is carried out using sequentially installed a beam splitter and a piece of optical fiber that preserves the polarization and is set so that the direction of the optical axis of the fiber coincides with the direction of the optical polarizer axis.

В третьем частном случае реализации предлагаемого устройства согласно п.4 формулы изобретения перед анализатором дополнительно установлены оптически связанные неполяризующий светоделитель, фазовая четвертьволновая пластинка, направление оптических осей которой совпадает с направлением оптических осей линии задержки, второй анализатор, направление оси которого совпадает с направлением оси первого анализатора, и второй фотоприемник.In the third particular case of the implementation of the proposed device according to claim 4, an optically coupled non-polarizing beam splitter, a quarter quarter-wave plate, the direction of the optical axes of which coincides with the direction of the optical axes of the delay line, is installed in front of the analyzer, the second analyzer, the axis of which coincides with the direction of the axis of the first analyzer , and a second photodetector.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства в общем случае его выполнения, соответствующего п.1 формулы изобретения.Figure 1 presents a block diagram of the proposed device in the General case of its implementation, corresponding to claim 1 of the claims.

На фиг.2 представлена блок-схема 1-го частного случая конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.2 формулы изобретения.Figure 2 presents the block diagram of the 1st particular case of the design of the proposed device corresponding to claim 2 of the claims.

На фиг.3 представлена блок-схема 2-го частного случая конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.3 формулы изобретения.Figure 3 presents the block diagram of the 2nd special case of the design of the proposed device corresponding to claim 3 of the claims.

На фиг.4 представлена блок-схема 3-го частного случая предлагаемого устройства, соответствующего п.4 формулы изобретения.Figure 4 presents the block diagram of the 3rd special case of the proposed device corresponding to claim 4 of the claims.

На фиг.5 представлена блок-схема включения дифференциальных фотоприемников с поляризующим делителем в качестве анализатора.Figure 5 presents a block diagram of the inclusion of differential photodetectors with a polarizing divider as an analyzer.

Конструкция устройства (см. фиг.1) содержит расположенные последовательно, оптически связанные источник света 1, поляризатор света 2, оптически связанный с измеряемым объектом 3 так, что свет, отраженный от обеих поверхностей измеряемого объекта, направляется на линию задержки 4, которая выполнена в виде фазовой пластинки, разность фаз нормальных волн которой может перестраиваться, и установлена так, что плоскость поляризации ее нормальных волн составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора 2, анализатор 5, направление оси которого совпадает или ортогонально направлению оси поляризатора 2, и фотоприемник 6. При этом поверхности измеряемого объекта 3 должны быть настолько плоскими и параллельными друг другу, чтобы лучи, отраженные от передней и задней поверхностей, не разделялись в пространстве.The design of the device (see Fig. 1) comprises sequentially optically coupled light source 1, a light polarizer 2, optically coupled to the measured object 3 so that the light reflected from both surfaces of the measured object is directed to the delay line 4, which is made in in the form of a phase plate, the phase difference of the normal waves of which can be reconstructed, and set so that the plane of polarization of its normal waves makes an angle of 45 ° relative to the direction of the axis of polarizer 2, analyzer 5, the direction of the axis of the cat or coincides or orthogonal to the direction of the axis of the polarizer 2, and the photodetector 6. The surfaces of the measured object 3 should be so flat and parallel to each other that the rays reflected from the front and rear surfaces are not separated in space.

В частном случае использования интерферометрического устройства, когда измеряемый объект 3 находится в труднодоступном месте, целесообразно использовать конструкции, содержащие отрезки оптического волокна и соответствующие п.2 или п.3 формулы изобретения (см. соответственно фиг.2 или фиг.3).In the particular case of using an interferometric device, when the measured object 3 is in a hard-to-reach place, it is advisable to use structures containing segments of the optical fiber and corresponding to claim 2 or claim 3 of the claims (see, respectively, FIG. 2 or FIG. 3).

Согласно п.2 формулы изобретения оптическая связь между поляризатором 2 и измеряемым объектом 3 и измеряемым объектом 3 и линией задержки 4 осуществляется по двум отрезкам оптического волокна 7, 8, установленным так, что направление оптической оси этих волокон 7, 8 совпадает с направлением оптической оси поляризатора 2. Концы отрезков оптических волокон 7, 8 могут быть снабжены линзами для ввода и вывода оптического излучения. В случае, когда концы отрезка оптического волокна не могут быть приближены к измеряемому объекту 4 на расстояние меньше или порядка диаметра сердечника волокна, умноженного на его числовую апертуру, использование линз становится обязательным. При этом линзы целесообразно размещать так, чтобы измеряемый объект 3 находился в области фокусировки света, выходящего из отрезка оптического волокна 7.According to claim 2, the optical connection between the polarizer 2 and the measured object 3 and the measured object 3 and the delay line 4 is carried out along two segments of the optical fiber 7, 8, set so that the direction of the optical axis of these fibers 7, 8 coincides with the direction of the optical axis polarizer 2. The ends of the segments of the optical fibers 7, 8 can be equipped with lenses for input and output of optical radiation. In the case when the ends of the optical fiber segment cannot be closer to the measured object 4 by a distance less than or on the order of the diameter of the fiber core multiplied by its numerical aperture, the use of lenses becomes mandatory. In this case, it is advisable to place the lenses so that the measured object 3 is in the focus area of the light emerging from the segment of the optical fiber 7.

Согласно п.3 формулы изобретения оптическая связь между поляризатором 2, измеряемым объектом 3 и линией задержки 4 осуществляется с помощью последовательно установленных светоделителя 9 и отрезка оптического волокна 10, сохраняющего поляризацию и установленного так, что направление оптической оси волокна 10 совпадает с направлением оптической оси поляризатора 2 (см. фиг.3).According to claim 3, the optical connection between the polarizer 2, the measured object 3 and the delay line 4 is carried out using sequentially installed a beam splitter 9 and a segment of the optical fiber 10 that preserves the polarization and is set so that the direction of the optical axis of the fiber 10 coincides with the direction of the optical axis of the polarizer 2 (see figure 3).

Во избежание потери точности при измерениях вблизи экстремумов интерференционной картины в схему интерферометрического устройства целесообразно ввести квадратурный канал (см. фиг.4). Для этого в интерферометрическое устройство перед анализатором 5 дополнительно установлены оптически связанные неполяризующий светоделитель 11, фазовая четвертьволновая пластинка 12, направление оптических осей которой совпадает с направлением оптических осей линии задержки 4, второй анализатор 13, направление оси которого совпадает с направлением оси первого анализатора 5, и второй фотоприемник 14. Коэффициент деления неполяризующего светоделителя 11 удобно выбрать равным 1:1.In order to avoid loss of accuracy when measuring near the extrema of the interference pattern, it is advisable to introduce a quadrature channel into the circuit of the interferometric device (see figure 4). To this end, an optically coupled non-polarizing beam splitter 11, a quarter quarter-wave plate 12, the direction of the optical axes of which coincides with the direction of the optical axes of the delay line 4, a second analyzer 13, the axis of which coincides with the direction of the axis of the first analyzer 5, are additionally installed in front of the analyzer 5 in the interferometric device 5, and the second photodetector 14. The division coefficient of the non-polarizing beam splitter 11 is conveniently chosen equal to 1: 1.

Во избежание потерь света, а также для подавления избыточных шумов источника света и увеличения, таким образом, чувствительности измерений, вместо фотоприемника 6 и анализатора 5 целесообразно использовать дифференциальные фотоприемники 16, 17 с поляризующим делителем 15 в качестве анализатора (см. фиг.5). Поляризующий делитель 15 делит падающее на него излучение на два выходных пучка с взаимно ортогональными линейными поляризациями, одна из которых совпадает, а другая перпендикулярна направлению оси поляризатора 2. Выходные пучки направляются на дифференциальные фотоприемники 16, 17, электрически связанные с разными входами дифференциального усилителя 18, на выходе которого формируется сигнал, несущий информацию об оптической толщине измеряемого объекта 3.In order to avoid light loss, as well as to suppress excess noise of the light source and thus increase the measurement sensitivity, instead of the photodetector 6 and analyzer 5, it is advisable to use differential photodetectors 16, 17 with a polarizing divider 15 as an analyzer (see Fig. 5). The polarizing divider 15 divides the radiation incident on it into two output beams with mutually orthogonal linear polarizations, one of which coincides and the other perpendicular to the direction of the axis of the polarizer 2. The output beams are directed to differential photodetectors 16, 17, electrically connected to different inputs of the differential amplifier 18, the output of which a signal is generated that carries information about the optical thickness of the measured object 3.

В качестве источника света 1 может быть использован суперлюминесцентный диод, светодиод, или любой другой излучатель, продольная длина когерентности которого существенно меньше толщины измеряемого объекта 3.As a light source 1, a superluminescent diode, LED, or any other emitter, the longitudinal coherence length of which is significantly less than the thickness of the measured object 3, can be used.

В качестве линии задержки 4 может использоваться стандартный компенсатор Солейля-Бабине или электрически перестраиваемая фазовая пластинка на основе жидких кристаллов, а также отрезок одномодового анизотропного оптического волокна, разность фаз нормальных волн в котором можно перестраивать за счет механических напряжений. Оптическое волокно в этом случае удобно намотать на пластину или цилиндр из пьезоэлектрического материала, который изменяет свои геометрические размеры под действием приложенного электрического напряжения, вызывая, таким образом, механические напряжения в указанном волокне.As a delay line 4, a standard Soleil-Babinet compensator or an electrically tunable phase plate based on liquid crystals can be used, as well as a segment of a single-mode anisotropic optical fiber, in which the phase difference of normal waves can be tuned due to mechanical stresses. In this case, the optical fiber is conveniently wound on a plate or cylinder made of a piezoelectric material, which changes its geometrical dimensions under the action of an applied electric voltage, thereby causing mechanical stresses in said fiber.

В качестве поляризатора 2 и анализаторов 5, 13 могут использоваться любые виды поляризаторов: пленочные и волоконно-оптические поляризаторы, поляризационные призмы и делители.Any kind of polarizers can be used as polarizer 2 and analyzers 5, 13: film and fiber-optic polarizers, polarizing prisms and dividers.

В качестве поляризующего делителя 15 можно использовать поляризационную призму Волластона или Рошона, диэлектрические поляризующие покрытия, а также волоконно-оптический поляризационно-чувствительный делитель.As the polarizing divider 15, you can use the polarizing prism of Wollaston or Rochon, dielectric polarizing coatings, as well as a fiber-optic polarization-sensitive divider.

В качестве волокна, сохраняющего поляризацию 7, 8, 10, может использоваться любое двулучепреломляющее волокно с такой длиной волны отсечки, чтобы распространяющийся по нему свет оставался одномодовым.As a fiber preserving polarization 7, 8, 10, any birefringent fiber with a cut-off wavelength such that the light propagating through it remains single-mode can be used.

В случае реализации предлагаемого устройства согласно п.3 формулы изобретения (фиг.3), во избежание потерь света в качестве светоделителя 9 целесообразно использовать циркулятор, который пропускает весь свет, идущий от источника 1 к измеряемому объекту 3, а свет, идущий в обратном направлении, полностью отражает в сторону фотоприемников 6.In the case of the implementation of the proposed device according to claim 3 of the claims (FIG. 3), in order to avoid light loss, it is advisable to use a circulator that transmits all the light coming from the source 1 to the measured object 3, and the light going in the opposite direction as a beam splitter 9 completely reflects towards the photodetectors 6.

Измеряемый объект 3 должен быть полностью или частично прозрачным для используемого света. В том случае, когда измеряемым объектом 3 является зазор, образованный поверхностями двух элементов, ближайший к источнику света 1 элемент должен быть прозрачным.The measured object 3 must be fully or partially transparent to the light used. In the case when the measured object 3 is a gap formed by the surfaces of two elements, the element closest to the light source 1 should be transparent.

Разработанное устройство в общем случае его реализации согласно п.1 формулы изобретения работает следующим образом (см. фиг.1). Источник света 1 излучает свет, длина когерентности которого не превышает оптическую толщину образца 3. Проходя через поляризатор 2, свет приобретает линейную поляризацию. Далее свет направляется на измеряемый объект 3 и частично отражается от его первой и второй поверхностей. Отраженное от измеряемого объекта 3 излучение, представляющее собой сумму двух волн I и II, задержанных относительно друг друга на удвоенную оптическую толщину измеряемого объекта 3, направляется на линию задержки 4, выполненную согласно п.1 формулы изобретения. В результате того, что плоскость поляризации нормальных волн линии задержки 4 составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора 2, при прохождении линии задержки 4 каждая из двух волн I и II распадается на две волны с равной интенсивностью Ie, Io и IIe, IIo. Причем волны Ie и IIe имеют фазовую скорость Ve и одинаковую поляризацию, волны Io и IIo имеют фазовую скорость Vo и поляризацию, ортогональную волнам Ie и IIe. Таким образом, на выходе линии задержки 4 формируются четыре волны, фазовая задержка Δф между двумя из которых Io и IIe может изменяться в зависимости от длины d линии задержки 4:The developed device in the General case of its implementation according to claim 1 of the claims works as follows (see figure 1). Light source 1 emits light whose coherence length does not exceed the optical thickness of sample 3. Passing through polarizer 2, the light acquires linear polarization. Next, the light is directed to the measured object 3 and is partially reflected from its first and second surfaces. The radiation reflected from the measured object 3, which is the sum of two waves I and II, delayed relative to each other by twice the optical thickness of the measured object 3, is sent to the delay line 4, made in accordance with claim 1. As a result of the fact that the plane of polarization of the normal waves of the delay line 4 makes an angle of 45 ° relative to the direction of the axis of the polarizer 2, when passing the delay line 4, each of the two waves I and II splits into two waves with equal intensities Ie, Io and IIe, IIo. Moreover, the waves Ie and IIe have a phase velocity Ve and the same polarization, waves Io and IIo have a phase velocity Vo and a polarization orthogonal to waves Ie and IIe. Thus, four waves are formed at the output of the delay line 4, the phase delay Δph between the two of which Io and IIe can vary depending on the length d of the delay line 4:

где ω - круговая частота света.where ω is the circular frequency of light.

При совпадении величины фазовой задержки Δф, возникающей в линии задержки 4, с величиной фазовой задержки, возникающей при двойном проходе света через измеряемый объект 3, в плоскости фотоприемника 6 возникает интерференционная картина, для визуализации и регистрации которой используется анализатор 5 и фотоприемник 6. Зная величину фазовой задержки Δф, возникающей в линии задержки 4, и анализируя изменения интерференционной картины, регистрируемые фотоприемником 6, можно определить как оптическую толщину измеряемого объекта 3, так и ее колебания.If the phase delay Δph arising in the delay line 4 coincides with the phase delay arising when the light passes twice through the measured object 3, an interference pattern arises in the plane of the photodetector 6, for which the analyzer 5 and photodetector 6 are used for visualization and recording. Knowing the value the phase delay Δph arising in the delay line 4, and analyzing the changes in the interference pattern recorded by the photodetector 6, it is possible to determine both the optical thickness of the measured object 3 and its number fucking.

Благодаря тому, что все элементы конструкции могут быть закреплены жестко и их взаимное смещение или наклон не приводят к изменению фазовой задержки, предлагаемая схема обладает высокой невосприимчивостью к воздействию окружающей среды и, как следствие, минимальным уровнем шумов и максимальной чувствительностью. Наблюдаемая высокая стабильность интерференционной картины позволяет проводить измерения оптической толщины не по положению цуга интерференционных полос как целого, как это делается в прототипе, а по положению точки перехода интерференционной картины через ноль внутри отдельной интерференционной полосы. В результате, если заявленная чувствительность прототипа составляет 5 мкм, чувствительность предлагаемого устройства достигает 0,1 нм, что позволяет решить поставленную задачу.Due to the fact that all structural elements can be fixed rigidly and their mutual displacement or inclination does not lead to a change in phase delay, the proposed circuit has a high immunity to environmental influences and, as a result, minimal noise and maximum sensitivity. The observed high stability of the interference pattern allows the measurement of optical thickness not by the position of the train of interference fringes as a whole, as is done in the prototype, but by the position of the transition point of the interference pattern through zero inside a separate interference fringe. As a result, if the claimed sensitivity of the prototype is 5 μm, the sensitivity of the proposed device reaches 0.1 nm, which allows us to solve the problem.

В том случае, когда измеряемый объект находится в труднодоступном месте, целесообразно использовать один из частных случаев реализации конструкции устройства, соответствующий п.2 или п.3 формулы изобретения. В обоих случаях устройство работает аналогично первому случаю, за исключением того, что оптическая связь с измеряемым объектом 3 осуществляется по оптическому волокну 7, 8 или 10, а не по открытому пространству.In the case when the measured object is in a hard-to-reach place, it is advisable to use one of the special cases of the implementation of the design of the device corresponding to claim 2 or claim 3 of the claims. In both cases, the device operates similarly to the first case, except that the optical communication with the measured object 3 is carried out via an optical fiber 7, 8 or 10, and not through an open space.

Во избежание потери точности при измерениях вблизи экстремумов интерференционной картины в схему интерференционного устройства целесообразно ввести квадратурный канал (см. фиг.4), согласно п.4 формулы изобретения. В этом случае устройство работает аналогично первому случаю, за исключением того, что часть света, прошедшего через линию задержки 4, ответвляется светоделителем 11 и, пройдя через фазовую четвертьволновую пластинку 12, приобретает дополнительную фазовую задержку в π/2. Таким образом, интерференционная картина в плоскости второго фотоприемника 14 оказывается сдвинутой на π/2 относительно интерференционной картины, формирующейся в плоскости первого фотоприемника 6. В результате, если первый фотоприемник 6 будет находиться в максимуме или минимуме интерференционной картины и демонстрировать минимальную чувствительность к изменениям оптической толщины измеряемого объекта 3, то второй фотоприемник 14 будет находиться на склоне интерференционной картины в области максимальной чувствительности к этим изменениям. Одновременная обработка сигналов обоих фотоприемников 6 и 14 позволяет сохранять максимальную чувствительность и точность измерений во всем диапазоне оптических толщин измеряемого объекта 3.In order to avoid loss of accuracy when measuring near the extremes of the interference pattern, it is advisable to introduce a quadrature channel (see figure 4) according to claim 4 in the scheme of the interference device. In this case, the device operates similarly to the first case, except that part of the light transmitted through the delay line 4 is branched off by the beam splitter 11 and, passing through the phase quarter-wave plate 12, acquires an additional phase delay of π / 2. Thus, the interference pattern in the plane of the second photodetector 14 is shifted by π / 2 relative to the interference pattern that is formed in the plane of the first photodetector 6. As a result, if the first photodetector 6 is at the maximum or minimum of the interference pattern and show minimal sensitivity to changes in optical thickness of the measured object 3, then the second photodetector 14 will be located on the slope of the interference pattern in the region of maximum sensitivity to these measurements neniyam. Simultaneous processing of the signals of both photodetectors 6 and 14 allows you to maintain maximum sensitivity and measurement accuracy over the entire range of optical thicknesses of the measured object 3.

Claims

1. An interferometric device for measuring the optical thickness of a transparent layer or gap, containing a light source whose coherence length does not exceed the optical thickness of the measured object, a delay line and a photodetector, characterized in that a light polarizer is installed between the light source and the measured object, an analyzer is installed in front of the photodetector whose axis direction coincides or orthogonal to the direction of the polarizer axis, and the delay line is made in the form of a phase plate, the phase difference is normal waves of which can be tuned, and it is established that the plane of polarization of its normal waves makes an angle of 45 ° relative to the direction of the axis of the polarizer, while the analyzer and the photodetector are capable of visualizing and recording the interference pattern designed to determine the optical thickness of the measured object.

2. The interferometric device according to claim 1, characterized in that the optical connection between the polarizer and the measured object, as well as between the measured object and the delay line is carried out along the segments of the optical fiber that preserves the polarization, set so that the direction of the optical axes of these fibers coincides with the direction optical axis of the polarizer.

3. The interferometric device according to claim 1, characterized in that the optical coupling between the polarizer, the measured object and the delay line is carried out using sequentially installed a beam splitter and a piece of optical fiber that preserves the polarization and is set so that the direction of the optical axis of the fiber coincides with the direction of the optical axis polarizer.

4. The interferometric device according to claim 1 or 2, or 3, characterized in that the analyzer is additionally equipped with optically coupled non-polarizing beam splitter, a quarter-wave phase plate, the direction of the optical axes of which coincides with the direction of the optical axes of the delay line, the second analyzer, the axis of which coincides with the direction of the axis of the first analyzer, and the second photodetector.