RU2313066C1 - Interferometric mode of measuring the thickness and the values of refraction of transparent objects - Google Patents
Interferometric mode of measuring the thickness and the values of refraction of transparent objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2313066C1 RU2313066C1 RU2006109354/28A RU2006109354A RU2313066C1 RU 2313066 C1 RU2313066 C1 RU 2313066C1 RU 2006109354/28 A RU2006109354/28 A RU 2006109354/28A RU 2006109354 A RU2006109354 A RU 2006109354A RU 2313066 C1 RU2313066 C1 RU 2313066C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- optical path
- low
- optical
- optical radiation
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к бесконтактным оптическим методам измерения физических параметров прозрачных, в том числе и движущихся, объектов, а именно пленок, листового (ленточного) стекла и т.п.The invention relates to measuring equipment, and more particularly to non-contact optical methods for measuring the physical parameters of transparent, including moving, objects, namely films, sheet (tape) glass, etc.
Из уровня техники известен интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, согласно которому формируется низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на первый и второй пучки низкокогерентного оптического излучения, первый пучок низкокогерентного оптического излучения направляют по первому оптическому пути, который выполняют двунаправленным и с возможностью изменения по заданному линейному закону оптической длины пути для первого пучка низкокогерентного оптического излучения, второй пучок низкокогерентного оптического излучения направляют по второму, выполненному также двухканальным, оптическому пути, затем низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее в прямом и обратном направлениях по первому оптическому пути, смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшим в прямом и обратном направлениях по второму оптическому пути, преобразуют с помощью фотопреобразователя интенсивность полученного в результате упомянутого выше смешения низкокогерентного оптического излучения в электрический сигнал. Затем устанавливают начальное значение длины оптического пути для первого пучка низкокогерентного оптического излучения, равной длине оптического пути для второго пучка низкокогерентного оптического излучения, путем изменения оптической длины пути для первого пучка низкокогерентного оптического излучения до момента появления максимального контраста регистрируемой фотопреобразователем интерференционной картины. Размещают исследуемый объект на пути распространения второго пучка низкокогерентного оптического излучения и далее, изменяя оптическую длину пути для первого пучка низкокогерентного оптического излучения и последовательно фиксируя моменты появления максимального контраста регистрируемых фотопреобразователем интерференционных картин, измеряют: Х1 - изменение относительно начального значения оптической длины пути для первой волны второго пучка низкокогерентного оптического излучения, прошедшей в прямом и обратном направлениях по всему второму оптическому пути; Х2 - изменение относительно начального значения оптической длины пути для второй волны второго пучка низкокогерентного оптического излучения, прошедшей в прямом направлении до передней поверхности исследуемого объекта, а после отражения от указанной выше поверхности в обратном направлении; Х3 - изменение относительно начального значения оптической длины пути для третьей волны второго пучка низкокогерентного оптического излучения, прошедшей в прямом направлении до задней поверхности исследуемого объекта, а после отражения от указанной выше поверхности в обратном направлении, а искомые физические параметры исследуемого объекта определяют из следующих зависимостей Х1=(n-1)d; X3-X2=n·d, где n и d соответственно показатель преломления материала исследуемого объекта, a d - его толщина (см. патент US-A-№4647205, 1987).The interferometric method for measuring the thickness and refractive index of transparent objects is known, according to which low-coherent optical radiation is generated, which is divided into first and second beams of low-coherent optical radiation, the first beam of low-coherent optical radiation is directed along the first optical path, which is bi-directional and can be changed according to a given linear law of the optical path length for the first beam of low coherent optical radiation In this case, the second beam of low-coherent optical radiation is directed along the second, also made two-channel, optical path, then the low-coherent optical radiation transmitted in the forward and reverse directions along the first optical path is mixed with the low-coherent optical radiation transmitted in the forward and reverse directions along the second optical path , with the help of a photoconverter, the intensity of the low-coherent optical radiation resulting from the above-mentioned mixture is converted into electricity sky signal. Then, the initial value of the optical path length for the first beam of low-coherent optical radiation is set equal to the optical path length for the second beam of low-coherent optical radiation by changing the optical path length for the first beam of low-coherent optical radiation until the maximum contrast of the interference pattern detected by the photoconverter appears. The object under study is placed on the propagation path of the second beam of low-coherent optical radiation and then, changing the optical path length for the first beam of low-coherent optical radiation and sequentially fixing the moments of the appearance of the maximum contrast of the interference patterns recorded by the photoconverter, measure: X 1 - change relative to the initial value of the optical path length for the first waves of the second beam of low coherent optical radiation transmitted in the forward and reverse directions n around the second optical path; X 2 - change relative to the initial value of the optical path length for the second wave of the second beam of low coherent optical radiation transmitted in the forward direction to the front surface of the object under study, and after reflection from the above surface in the opposite direction; X 3 - change relative to the initial value of the optical path length for the third wave of the second beam of low coherent optical radiation transmitted in the forward direction to the rear surface of the object under study, and after reflection from the above surface in the opposite direction, and the sought physical parameters of the object under study are determined from the following dependencies X 1 = (n-1) d; X 3 -X 2 = n · d, where n and d, respectively, the refractive index of the material of the investigated object, ad - its thickness (see patent US-A-No. 4647205, 1987).
Недостаток описанного выше интерферометрического способа измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов заключается в том, что он имеет ограниченную область использования, так как не может быть использован при дистанционном измерении указанных выше физических параметров прозрачных объектов, находящихся в труднодоступных местах или в зонах с внешними факторами, неблагоприятными для нормальной работы прецизионных оптических устройств, например в зонах с высокой или низкой температурой, с высоким уровнем вибраций, акустических шумов и т.п.The disadvantage of the above interferometric method for measuring the thickness and refractive index of transparent objects is that it has a limited area of use, since it cannot be used for remote measurement of the above physical parameters of transparent objects located in inaccessible places or in areas with external factors, unfavorable for the normal operation of precision optical devices, for example, in areas with high or low temperature, with a high level of vibration, static noise, etc.
Известен также интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, взятый в качестве прототипа и при котором формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое вводят в волоконно-оптическую передающую линию, по которой низкокогерентное оптическое излучение распространяется в прямом направлении, вышедшее из волоконно-оптической передающей линии низкокогерентное оптическое излучение разделяют на опорный и измерительный пучки с помощью оптического элемента с частично отражающей поверхностью, который устанавливают перпендикулярно направлению распространения низкокогерентного оптического излучения, вышедшего из волоконно-оптической передающей линии, при этом обратно отраженное от оптического элемента с частично отражающей поверхностью оптическое излучение является опорным пучком, а направление распространения оптического излучения, прошедшего через оптический элемент с частично отражающей поверхностью и являющегося измерительным пучком, изменяют на противоположное с помощью зеркала, которое устанавливают с зазором относительно частично отражающей поверхности упомянутого выше оптического элемента и параллельной ей, после этого опорный и измерительный пучки сводят в один пучок низкокогерентного оптического излучения, который вводят в упомянутую выше волоконно-оптическую передающую линию, по которой он, распространяясь в обратном направлении, поступает в двухлучевой интерферометр, снабженный средствами для изменения по заданному закону оптической разности хода для его лучей, и также для ее измерения, а интенсивность выходящего из интерферометра низкокогерентного оптического излучения преобразуют в электрический сигнал с помощью фотопреобразователя. Затем устанавливают начальное значение - Х0 оптической разности хода для лучей интерферометра, равной длине оптического пути для измерительного пучка между частично отражающей поверхностью упомянутого выше оптического элемента и зеркала, путем изменения оптической разности хода для лучей интерферометра до момента появления максимального контраста регистрируемой фотопреобразователем интерференционной картины, размещают исследуемый объект между частично отражающей поверхностью оптического элемента и зеркалом, после чего, изменяя оптическую разность хода для лучей интерферометра и фиксируя последовательно моменты появления максимального контраста регистрируемых фотопреобразователем интерференционных картин измеряют: ΔX1 - изменение относительно начального значения Х0 оптической разности хода для лучей интерферометра после размещения на оптическом пути измерительного пучка низкокогерентного оптического излучения исследуемого объекта; ΔХ2 - оптическую разность хода для лучей интерферометра, соответствующую оптической разности хода для волн измерительного пучка низкокогерентного оптического излучения соответственно не претерпевших и претерпевших последовательно отражение от одной и другой поверхностей исследуемого объекта, а искомые физические параметры исследуемого объекта определяют из следующих зависимостей:Also known is the interferometric method for measuring the thickness and refractive index of transparent objects, taken as a prototype and in which low-coherent optical radiation is formed, which is introduced into the fiber-optic transmission line, along which the low-coherent optical radiation propagates in the forward direction, emerging from the fiber-optic transmission line low coherent optical radiation is divided into reference and measuring beams using an optical element with a partially reflecting surface which is set perpendicular to the direction of propagation of low-coherent optical radiation emerging from the fiber-optic transmission line, while the optical radiation back-reflected from an optical element with a partially reflective surface is a reference beam, and the propagation direction of optical radiation transmitted through an optical element with a partially reflective surface and which is a measuring beam, is reversed using a mirror, which is installed with with azimuth relative to the partially reflecting surface of the aforementioned optical element and parallel to it, then the reference and measuring beams are brought into one beam of low-coherent optical radiation, which is introduced into the aforementioned fiber-optic transmission line, through which it propagates in the opposite direction, enters the two-beam an interferometer equipped with means for changing, according to a given law, the optical path difference for its rays, and also for measuring it, and the intensity coming out of the inter ometra low coherence optical radiation is converted into an electrical signal by the photoconverter. Then, the initial value X 0 of the optical path difference for the interferometer rays is set equal to the optical path length for the measuring beam between the partially reflecting surface of the above-mentioned optical element and the mirror by changing the optical path difference for the interferometer beams until the maximum contrast of the interference pattern detected by the photoconverter appears, place the investigated object between the partially reflective surface of the optical element and the mirror, after which, changing the optical path difference for the interferometer rays and sequentially recording the moments of the appearance of the maximum contrast of the interference patterns recorded by the photoconverter measure: ΔX 1 - change in the optical path difference for the interferometer rays relative to the initial value X 0 after placing the low-coherent optical radiation of the object under study on the optical path; ΔX 2 is the optical path difference for the rays of the interferometer, corresponding to the optical path difference for the waves of the measuring beam of low coherent optical radiation, respectively, which have not undergone and underwent successive reflection from one or the other surfaces of the object under study, and the sought physical parameters of the object under study are determined from the following relationships:
ΔХ1=(n-1)d, ΔX2=n·d (см. заявку ЕР-А2-№0726078, 1997).ΔX 1 = (n-1) d, ΔX 2 = n · d (see application EP-A2-No. 0726078, 1997).
Недостаток прототипа заключается в том, что он имеет ограниченную область применения, что обусловлено необходимостью использования при его осуществлении двухлучевого интерферометра сложной конструкции, а следовательно дорогостоящего. Дело в том, что поскольку обе поверхности исследуемого объекта расположены параллельно соответственно частично отражающей поверхности оптического элемента и зеркалу, то измерительный пучок низкокогерентного оптического излучения, по существу, проходит через три последовательно расположенных интерферометра Фабри-Перо. Первый интерферометр Фабри-Перо образован частично отражающей поверхностью оптического элемента и ближайшей к ней передней поверхностью исследуемого объекта. Второй интерферометр Фабри-Перо образован передней и задней поверхностями исследуемого объекта, а третий - задней поверхностью исследуемого объекта и зеркалом. Для того чтобы исключить появление (отстроиться от) дополнительных сигналов (интерференционных картин) при изменении оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре, в пределах диапазона измерения оптической толщины контролируемого объекта необходимо, чтобы толщина каждого из упомянутых выше первого и третьего интерферометров Фабри-Перо была больше верхней границы диапазона измерений толщины исследуемого объекта. Это приводит к необходимости увеличения диапазона изменения оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра, а следовательно, к усложнению его конструкции и возрастанию его стоимости. Кроме того, разделение низкокогерентного оптического излучения на опорный и измерительный пучки с помощью оптического элемента с частично отражающей поверхностью, который устанавливают перпендикулярно направлению распространения низкокогерентного оптического излучения, вышедшего из оптико-волоконной передающей линии, приводит к возникновению погрешности измерений при колебаниях температуры в зоне измерений вследствие противофазного изменения оптических длин для опорного и измерительного пучков при изменении температуры окружающей среды.The disadvantage of the prototype is that it has a limited scope, due to the need to use in its implementation of a two-beam interferometer of complex design, and therefore expensive. The fact is that since both surfaces of the object under study are parallel to the partially reflecting surface of the optical element and the mirror, the measuring beam of low-coherent optical radiation essentially passes through three sequentially located Fabry-Perot interferometers. The first Fabry-Perot interferometer is formed by the partially reflecting surface of the optical element and the front surface of the object under study closest to it. The second Fabry-Perot interferometer is formed by the front and back surfaces of the studied object, and the third is formed by the rear surface of the studied object and a mirror. In order to exclude the appearance (to tune away) of additional signals (interference patterns) when the optical path difference for the rays in the two-beam interferometer changes, within the measurement range of the optical thickness of the controlled object, it is necessary that the thickness of each of the first and third Fabry-Perot interferometers mentioned above greater than the upper limit of the range of measurements of the thickness of the investigated object. This leads to the need to increase the range of variation of the optical path difference for the rays of the two-beam interferometer, and therefore, to complicate its design and increase its cost. In addition, the separation of low-coherent optical radiation into reference and measuring beams using an optical element with a partially reflecting surface, which is set perpendicular to the propagation direction of low-coherent optical radiation emerging from the fiber-optic transmission line, leads to measurement errors due to temperature fluctuations in the measurement zone due to antiphase changes in optical lengths for the reference and measuring beams when the ambient temperature changes fluidized bed.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению расширения области использования интерферометрического способа измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов. Достигаемый технический результат заключается в упрощении аппаратной реализации способа (возможности использования двухлучевых интерферометров более простой конструкции узла для изменения оптической разности хода его лучей) при одновременном повышении точности измерений за счет уменьшения влияния изменений температуры на результаты измерений контролируемых параметров исследуемого объекта.The present invention is aimed at solving the technical problem of ensuring the expansion of the field of use of the interferometric method for measuring the thickness and refractive index of transparent objects. The technical result achieved is to simplify the hardware implementation of the method (the possibility of using double-beam interferometers of a simpler unit design for changing the optical difference in the path of its rays) while improving the accuracy of measurements by reducing the effect of temperature changes on the measurement results of the controlled parameters of the studied object.
Поставленная задача решена тем, что в интерферометрическом способе измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, включающем формирование низкокогерентного оптического излучения, введение низкокогерентного оптического излучения в волоконно-оптическую передающую линию, разделение вышедшего из волоконно-оптической передающей линии низкокогерентного оптического излучения на опорный и измерительный пучки, установление начального значения - Х0 оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре, который снабжен средствами для изменения по заданному закону оптической разности хода для его лучей и для измерения указанной выше разности хода, путем изменения оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре до момента появления максимального контраста регистрируемой фотопреобразователем интерференционной картины, размещение исследуемого объекта на оптическом пути измерительного пучка, измерение изменения - ΔX1 относительно начального значения - Х0 оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра вследствие размещения на пути измерительного пучка исследуемого объекта, а также измерение оптической разности хода - ΔХ2 для лучей двухлучевого интерферометра, которая соответствует оптической разности хода для волн измерительного пучка соответственно не претерпевших и претерпевших последовательно отражение от одной и другой поверхностей исследуемого объекта, путем изменения оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра и фиксации последовательно значений оптической разности хода для его лучей, соответствующих моментам появления максимального контраста регистрируемых фотопреобразователем интерференционных картин, с последующим определением значений n - показателя преломления материала исследуемого объекта и его толщины - d из следующих зависимостей: ΔX1=(n-1)d, ΔX2=n·d, согласно изобретению сформированное низкокогерентное оптическое излучение вправляют в двухлучевой интерферометр, а вышедшее из него низкокогерентное оптическое излучение вводят в волоконно-оптическую передающую линию, опорный и измерительный пучки направляют соответственно по опорному и измерительному оптическим путям, имеющим оптические длины путей для низкокогерентного оптического излучения, отличающиеся на величину d0<dmin(2-nmin), где dmin и nmin - нижние границы диапазона измерений соответственно толщины исследуемого объекта и его показателя преломления, низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее по опорному оптическому пути смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшим по измерительному оптическому пути, а интенсивность низкокогерентного оптического излучения, полученного после упомянутого выше смешения, преобразуют в электрический сигнал с помощью фотопреобразователя.The problem is solved in that in the interferometric method for measuring the thickness and refractive index of transparent objects, including the formation of low-coherent optical radiation, the introduction of low-coherent optical radiation into the fiber-optic transmission line, the separation of the low-coherent optical radiation emerging from the fiber-optic transmission line into the reference and measuring beams , setting the initial value - X 0 optical path difference for the rays in a two-beam interferometer, which equipped with means for changing, according to a given law, the optical path difference for its rays and for measuring the path difference indicated above, by changing the optical path difference for rays in a two-beam interferometer until the maximum contrast of the interference pattern recorded by the photoconverter appears, placing the object under study on the optical path of the measuring beam, change measurement - ΔX 1 relative to the initial value - X 0 optical path difference for the rays of the two-beam interferometer due to placing on the path of the measuring beam of the object under study, as well as measuring the optical path difference - ΔX 2 for the rays of the two-beam interferometer, which corresponds to the optical path difference for the waves of the measuring beam, respectively, which have not undergone and underwent successively reflection from one and the other surfaces of the studied object by changing the optical the path difference for the rays of the two-beam interferometer and the sequential fixation of the values of the optical path difference for its rays corresponding to the moments the appearance of the maximum contrast of the interference patterns recorded by the photoconverter, followed by the determination of n - the refractive index of the material of the object under study and its thickness - d from the following dependences: ΔX 1 = (n-1) d, ΔX 2 = n · d, according to the invention, a formed low-coherent optical the radiation is directed into a two-beam interferometer, and the low-coherent optical radiation emerging from it is introduced into the fiber-optic transmission line, the reference and measuring beams are directed respectively along the reference mu and measurement optical paths having an optical path lengths for the low coherence optical radiation, characterized by the value d 0 <d min (2-n min), wherein d min and n min - lower measurement range limit, respectively, the thickness of the test object and its refractive index, low coherent optical radiation transmitted along the reference optical path is mixed with low coherent optical radiation transmitted along the measuring optical path, and the intensity of the low coherent optical radiation obtained after Moreover, the above mixing is converted into an electrical signal using a photoconverter.
Преимущество предложенного интерферометрического способа измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов перед прототипом заключается в том, что новая последовательность действий над сформированным низкокогерентным оптическим излучением (а именно: низкокогерентное оптическое излучение направляют в двухлучевой интерферометр, вышедшее из него низкокогерентное оптическое излучение вводят в волоконно-оптическую передающую линию, а вышедшее из волоконно-оптической передающей линии низкокогерентное оптическое излучение сначала разделяют на опорный и измерительный пучки, которые направляют по соответствующему каждому из них опорному и измерительному оптическим путям, имеющим разные оптические длины путей для низкокогерентного оптического излучения, разность которых удовлетворяет определенному соотношению, а излучение, прошедшее по опорному оптическому пути смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшим по измерительному оптическому пути) позволяет избежать появления паразитных интерференционных картин в рабочем диапазоне изменения оптической разности хода лучей в двухлучевом интерферометре, а следовательно, уменьшить величину указанного выше диапазона и упростить аппаратурную реализацию способа.The advantage of the proposed interferometric method for measuring the thickness and refractive index of transparent objects over the prototype lies in the fact that a new sequence of actions on the generated low-coherent optical radiation (namely, low-coherent optical radiation is sent to a two-beam interferometer, low-coherent optical radiation emerging from it is introduced into the optical fiber before line, and low-coherent optical radiation emerging from the fiber-optic transmission line First, they are divided into reference and measuring beams, which are directed along the respective reference and measuring optical paths having different optical path lengths for low-coherent optical radiation, the difference of which satisfies a certain ratio, and the radiation transmitted through the reference optical path is mixed with a low-coherent optical radiation transmitted along the measuring optical path) avoids the appearance of spurious interference patterns in the working range neniya optical path difference in the two-beam interferometer, and hence reduce the amount of the above range and to simplify the hardware implementation of the method.
Кроме того, разделение вышедшего из волоконно-оптической передающей линии низкокогерентного оптического излучения на опорный и измерительный пучки, которые после смешивают, не изменяя направления распространения этих пучков на противоположное, позволяет повысить точность измерений за счет синфазного изменения оптических длин пучков при изменении температуры.In addition, the separation of low-coherent optical radiation emerging from the fiber-optic transmission line into the reference and measuring beams, which are then mixed without changing the direction of propagation of these beams to the opposite, can improve the measurement accuracy due to the in-phase change in the optical lengths of the beams with changing temperature.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения указанной выше совокупностью существенных признаков ожидаемого технического результата.The invention is further illustrated by a specific example, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the above set of essential features of the expected technical result.
На чертеже схематично изображено устройство, посредством которого может быть реализован предложенный интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов.The drawing schematically shows a device by which the proposed interferometric method for measuring the thickness and refractive index of transparent objects can be implemented.
Упомянутое выше устройство содержит источник 1 низкокогерентного оптического излучения видимого или ближнего ИК-диапазона длин волн, например полупроводниковый суперлюминесцентный диод, суперлюм спонтанного излучения или другой излучатель с продольной длиной когерентности 20-50 мкм; двухлучевой интерферометр 2, в качестве которого может быть использован любой двухлучевой интерферометр, например Майкельсона или Маха-Цендера, снабженный средствами для изменения, например по линейному закону, разности хода для своих лучей, а также для измерения этой разности хода; волоконно-оптическую линию 3 связи, выполненную, например, из многомодового волокна; оптический измерительный блок 4 и фотопреобразователь 5.The above-mentioned device comprises a source 1 of low-coherent optical radiation of the visible or near infrared wavelength range, for example, a semiconductor superluminescent diode, a spontaneous emission superlum or other emitter with a longitudinal coherence length of 20-50 microns; a two-beam interferometer 2, which can be used with any two-beam interferometer, for example, Michelson or Mach-Zehnder, equipped with means for changing, for example, linearly, the path difference for its rays, as well as for measuring this path difference; fiber optic communication line 3 made, for example, of multimode fiber; optical measuring unit 4 and photoconverter 5.
Источник 1 низкокогерентного оптического излучения оптически сопряжен с входом двухлучевого интерферометра 2, например интерферометра Майкельсона, который содержит светоделитель 6, неподвижное зеркало 7 и подвижное зеркало 8, закрепленное, например, на электродинамическом приводе 9 (аналогично тому, как описано в патенте US-A-№4647205, 1987), а также средствами (на чертеже не показаны) для измерения его перемещения, например линейкой с фотошаблоном (см. патент RU-С1-№2147728, 2000). Выход двухлучевого интерферометра 2 оптически сопряжен с входом волоконно-оптической передающей линии 3, а ее выход - с входом оптического измерительного блока 4.The source of low coherent optical radiation is optically coupled to the input of a two-beam interferometer 2, for example, a Michelson interferometer, which contains a beam splitter 6, a fixed mirror 7 and a movable mirror 8, mounted, for example, on an electrodynamic drive 9 (similar to that described in US-A- No. 4647205, 1987), as well as by means (not shown in the drawing) for measuring its movement, for example, with a ruler with a photomask (see patent RU-C1-No.2147728, 2000). The output of the two-beam interferometer 2 is optically coupled to the input of the fiber optic transmission line 3, and its output to the input of the optical measuring unit 4.
На чертеже представлен вариант выполнения оптического измерительного блока 4 на дискретных оптических элементах: светорасщепителях 10 и 11, а также зеркалах 12 и 13. Однако он может быть реализован с использованием и перископических призматических элементов или волоконно-оптических элементов (см., например, заявку WO-A1-№10676, 2002). Оптический измерительный блок 4 выполнен по модифицированной схеме интерферометра Маха-Цендера, при этом входной светорасщепитель 10 (полупрозрачное зеркало) и выходной светорасщепитель 11 (полупрозрачное зеркало) размещены последовательно вдоль оптической оси 14 пучка низкокогерентного оптического излучения, вышедшего из волоконно-оптической передающей линии 3. Светорасщепитель 10 установлен под углом 45° к оси 14 и оптически сопряжен с параллельно ему расположенным зеркалом 12. Светорасщепитель 11 установлен по отношению к светорасщепителю 10 под прямым углом и оптически сопряжен с параллельно ему расположенным зеркалом 13. Зеркала 12 и 13 расположены последовательно вдоль прямой, параллельной оси 14. Исследуемый объект 15 на чертеже показан штриховой линией, а направления распространения низкокогерентного оптического излучения показаны сплошной линией с одной или двумя стрелками. Фотопреобразователь 5 оптически сопряжен с выходом (выходным светорасщепителем 11) оптического измерительного блока 4, и линзы на входе и выходе волоконно-оптической передающей линии обозначены позицией 16. Интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов осуществляется следующим образом. С помощью источника 1 формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое направляют в двухлучевой интерферометр 2. В двухлучевом интерферометре 2 низкокогерентное оптическое излучение с помощью светоделителя 6 разделяют на распространяющиеся под прямым углом друг к другу два луча, один из которых направляют на неподвижное зеркало 7, а другой - на подвижное зеркало 8. Первый луч, прошедший в прямом и обратном направлениях до зеркала 6 смешивают со вторым лучом, прошедшим в прямом и обратном направлениях до зеркала 8. Полученное в результате смешения первого и второго луча низкокогерентное оптическое излучение выводят из двухлучевого интерферометра 2 и вводят в волоконно-оптическую передающую линию 3. Вышедшее из волоконно-оптической передающей линии 3 низкокогерентное оптическое излучение разделяют с помощью входного светорасщепителя 10 оптического измерительного блока 4 на опорный и измерительный пучки, при этом прошедшее входной светорасщепитель 10 низкокогерентное оптическое излучение является, например, опорным пучком и его направляют по опорному оптическому пути непосредственно на выходной светорасщепитель 11, а отраженное от входного светорасщепителя 10 низкокогерентное оптическое излучение является измерительным пучком и его направляют по измерительному оптическому пути, а именно: сначала на зеркало 12, а после отражения от него на зеркало 13, а после отражения от него на выходной светорасщепитель 11. Измерительный оптический путь устанавливают таким, чтобы он отличался от опорного оптического пути для низкокогерентного оптического излучения на величину d0<dmin(2-nmin), где dmin и nmin - нижние границы диапазона измерений соответственно толщины исследуемого объекта 15 (пленки, пластинки, ленты) и показателя преломления его материала. Низкокогерентное оптическое излучение, прошедшее по опорному оптическому пути, смешивают с низкокогерентным оптическим излучением, прошедшем по измерительному оптическому пути с помощью выходного светорасщепителя 11 оптического измерительного блока 4 и направляют на фотопреобразователь 5. С помощью фотопреобразователя 5 интенсивность низкокогерентного оптического излучения, полученного после упомянутого выше смешения, преобразуют в электрический сигнал. Далее устанавливают начальное значение Х0 оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре 2 (которое в случае использования двухлучевого интерферометра Майкельсона Х0=2δ=d0, где δ - величина смещения подвижного зеркала 8 относительно его положения, соответствующего равенству оптических путей для обоих лучей в двухлучевом интерферометре и устанавливаемого предварительно при калибровке двухлучевого интерферометра 2) путем изменения оптической разности хода для лучей в двухлучевом интерферометре 2 до момента появления максимального контраста регистрируемой фотопреобразователем 5 интерференционной картины. Затем на пути распространения измерительного пучка (между расположенными под прямым углом друг к другу зеркалами 12 и 13) размещают исследуемый объект 15 и, изменяя оптическую разность хода для лучей двухлучевого интерферометра 2, последовательно фиксируют значения оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра 2, соответствующие моментам появления максимального контраста регистрируемых фотопреобразователем 5 интерференционных картин, а именно, во-первых, измеряют изменение - ΔX1 относительно начального значения - X0 оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра 2 вследствие размещения на пути измерительного пучка исследуемого объекта, фиксируя значение оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра 2, соответствующее моменту появления максимального контраста первой регистрируемой фотопреобразователем 5 интерференционной картины. Во-вторых, измеряют оптическую разность хода - ΔХ2 для лучей двухлучевого интерферометра 2, которая соответствует оптической разности хода для волн измерительного пучка соответственно после отражения от подвижного зеркала 8 не претерпевших и после отражения от неподвижного зеркала 7 претерпевших последовательно отражение от одной и другой поверхностей исследуемого объекта 15, фиксируя значение оптической разности хода для лучей двухлучевого интерферометра 2, соответствующее моменту появления максимального контраста второй регистрируемой фотопреобразователем 5 интерференционной картины.The drawing shows an embodiment of an optical measuring unit 4 on discrete optical elements: light splitters 10 and 11, as well as mirrors 12 and 13. However, it can be implemented using periscopic prismatic elements or fiber-optic elements (see, for example, WO -A1-No.10676, 2002). The optical measuring unit 4 is made according to a modified Mach-Zehnder interferometer scheme, with the input light splitter 10 (translucent mirror) and the output light splitter 11 (translucent mirror) placed sequentially along the optical axis 14 of the beam of low coherent optical radiation emerging from the fiber optic transmission line 3. The light splitter 10 is installed at an angle of 45 ° to the axis 14 and is optically paired with a mirror 12 located parallel to it. The light splitter 11 is installed with respect to the light splitter 10 at a right angle and optically coupled to a parallel mirror 13. Mirrors 12 and 13 are arranged sequentially along a straight line parallel to axis 14. The object under study 15 is shown by a dashed line in the drawing, and the directions of propagation of low coherent optical radiation are shown by a solid line with one or two arrows. The photoconverter 5 is optically coupled to the output (output light splitter 11) of the optical measuring unit 4, and the lenses at the input and output of the fiber-optic transmission line are indicated by 16. The interferometric method for measuring the thickness and refractive index of transparent objects is as follows. Using a source 1, low-coherent optical radiation is generated, which is sent to a two-beam interferometer 2. In a two-beam interferometer 2, a low-coherent optical radiation using a beam splitter 6 is divided into two beams propagating at right angles to one another, one of which is directed to a fixed mirror 7, and the other - on the movable mirror 8. The first beam transmitted in the forward and reverse directions to the mirror 6 is mixed with the second beam transmitted in the forward and reverse directions to the mirror 8. The result During the mixing of the first and second beam, low-coherent optical radiation is extracted from the two-beam interferometer 2 and introduced into the fiber-optic transmission line 3. The low-coherent optical radiation emerging from the fiber-optic transmission line 3 is separated by the input light splitter 10 of the optical measuring unit 4 into the reference and measuring beams wherein the transmitted low-coherent optical radiation transmitted by the input light splitter 10 is, for example, a reference beam and is directed along a reference optical path directly to the output light splitter 11, and the low-coherent optical radiation reflected from the input light splitter 10 is a measuring beam and is directed along the measuring optical path, namely: first to mirror 12, and after reflection from it to mirror 13, and after reflection from it to an output coupler 11. The measurement optical path is adjusted so that it differs from a reference optical path for the low coherence optical radiation by an amount d 0 <d min (2-n min), wherein d min and n min - infima s, respectively, the measuring range of thickness of the test object 15 (film, plate, ribbon) and the refractive index of its material. The low-coherent optical radiation transmitted along the reference optical path is mixed with the low-coherent optical radiation transmitted along the measuring optical path using the output light splitter 11 of the optical measuring unit 4 and sent to the photoconverter 5. Using the photoconverter 5, the intensity of the low-coherent optical radiation obtained after the above are converted to an electrical signal. Next, set the initial value X 0 of the optical path difference for the rays in the two-beam interferometer 2 (which, in the case of using a two-beam Michelson interferometer, X 0 = 2δ = d 0 , where δ is the displacement of the moving mirror 8 relative to its position, which corresponds to the equality of the optical paths for both rays in a two-beam interferometer and pre-set during calibration of the two-beam interferometer 2) by changing the optical path difference for the rays in the two-beam interferometer 2 until the appearance of m maximum contrast recorded by the photoconverter 5 interference pattern. Then, on the propagation path of the measuring beam (between the mirrors 12 and 13 located at right angles to each other), the test object 15 is placed and, changing the optical path difference for the rays of the two-beam interferometer 2, the optical path difference values for the rays of the two-beam interferometer 2 are sequentially fixed corresponding to the moments occurrence of maximum contrast detected interference patterns phototransformator 5, namely, firstly, the measured change - ΔX 1 relative to the initial value - X 0 opti eskoy path difference for the two-beam interferometer beam 2 due to placement in the path of the measuring beam of the test object, fixing the optical travel difference value for the two-beam interferometer beams 2 corresponding to the instant of occurrence of the first maximum contrast phototransformator 5 recorded interference pattern. Secondly, they measure the optical path difference - ΔX 2 for the rays of the two-beam interferometer 2, which corresponds to the optical path difference for the waves of the measuring beam, respectively, after they have not undergone reflection from the movable mirror 8 and, after being reflected from the fixed mirror 7, have been successively reflected from one and the other surfaces object under study 15, fixing the value of the optical path difference for the rays of the two-beam interferometer 2, corresponding to the moment of the appearance of the maximum contrast to the second register the photoconverter 5 of the interference pattern.
Определяют толщину - d исследуемого объекта 15 и показатель - n преломления материала исследуемого объекта 15 из следующих зависимостей: ΔX1=(n-1)d, ΔX2=n·d. Или после элементарных преобразований имеем: d=ΔХ2-ΔX1; n=ΔХ2/(ΔХ2-ΔX1).Determine the thickness - d of the test object 15 and the refractive index n of the material of the test object 15 from the following relationships: ΔX 1 = (n-1) d, ΔX 2 = n · d. Or, after elementary transformations, we have: d = ΔX 2 -ΔX 1 ; n = ΔX 2 / (ΔX 2 -ΔX 1 ).
Изобретение может быть использовано для непрерывного бесконтактного измерения геометрической толщины и показателя преломления прозрачных объектов: пластин, пленки, листовых или ленточных материалов.The invention can be used for continuous non-contact measurement of geometric thickness and refractive index of transparent objects: plates, films, sheet or tape materials.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006109354/28A RU2313066C1 (en) | 2006-03-24 | 2006-03-24 | Interferometric mode of measuring the thickness and the values of refraction of transparent objects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006109354/28A RU2313066C1 (en) | 2006-03-24 | 2006-03-24 | Interferometric mode of measuring the thickness and the values of refraction of transparent objects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2313066C1 true RU2313066C1 (en) | 2007-12-20 |
Family
ID=38917299
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006109354/28A RU2313066C1 (en) | 2006-03-24 | 2006-03-24 | Interferometric mode of measuring the thickness and the values of refraction of transparent objects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2313066C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2636068C1 (en) * | 2016-09-06 | 2017-11-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Базальт" (АО "НПО "Базальт") | Single-use bomb cassette |
-
2006
- 2006-03-24 RU RU2006109354/28A patent/RU2313066C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2636068C1 (en) * | 2016-09-06 | 2017-11-20 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение "Базальт" (АО "НПО "Базальт") | Single-use bomb cassette |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101645274B1 (en) | Interferometric distance measuring method for measuring surfaces, and such a measuring arrangement | |
| CN102564317B (en) | High-accuracy remote absolute displacement measurement system based on optical fiber composite interference | |
| US7023563B2 (en) | Interferometric optical imaging and storage devices | |
| CN102564318A (en) | High precision absolute displacement measurement system based on optical fiber composite interference | |
| CN102980601A (en) | Demodulating device and method for optical fiber Young interference optical path difference based on low coherent interference | |
| US3680963A (en) | Apparatus for measuring changes in the optical refractive index of fluids | |
| Park et al. | Simultaneous measurements of refractive index and thickness by spectral-domain low coherence interferometry having dual sample probes | |
| CN112444194A (en) | Fabry-Perot grating interferometer for two-degree-of-freedom displacement measurement, measurement method thereof and six-degree-of-freedom interferometer | |
| US4380394A (en) | Fiber optic interferometer | |
| CN204256266U (en) | A kind of common light path Feisuo interferometer type light path correlator based on optical fibre ring catoptron | |
| CN104503081A (en) | Common optical path Fizeau interferometer type optical path correlator based on annular fiber mirror | |
| JP4208069B2 (en) | Refractive index and thickness measuring apparatus and measuring method | |
| CN106969845B (en) | The detection method and device of each light beam optical path difference of optical fibre matrix type point source generator | |
| RU2313066C1 (en) | Interferometric mode of measuring the thickness and the values of refraction of transparent objects | |
| RU2307318C1 (en) | Interferometer measuring device (variants) | |
| GB2117132A (en) | Interferometer | |
| EP2336714B1 (en) | Interferometer | |
| CN105841720B (en) | Use the optical fiber white light interference (FBG) demodulator of two parallel reflective faces | |
| Kueng et al. | Measuring integrated optical circuits using a low-coherence light source | |
| CN117111377A (en) | Short coherent heterodyne light source with adjustable long optical path difference | |
| JP3337624B2 (en) | Micro displacement measuring device and method | |
| JPH11108614A (en) | Light-wave interference measuring instrument | |
| RU2152588C1 (en) | Method measuring optical thickness of plane-parallel clear objects | |
| Ivanov et al. | Remote gauging with fiber optic low-coherence tandem interferometry: new industrial applications | |
| CN117782520A (en) | Device and method for improving measurement range of white light interferometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20080507 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130325 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20140127 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150325 |