RU2727783C1 - Transparent samples refraction index distribution measurement device - Google Patents

Transparent samples refraction index distribution measurement device Download PDF

Info

Publication number
RU2727783C1
RU2727783C1 RU2019143562A RU2019143562A RU2727783C1 RU 2727783 C1 RU2727783 C1 RU 2727783C1 RU 2019143562 A RU2019143562 A RU 2019143562A RU 2019143562 A RU2019143562 A RU 2019143562A RU 2727783 C1 RU2727783 C1 RU 2727783C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
measuring
channel
cuvette
immersion liquid
test sample
Prior art date
Application number
RU2019143562A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Леонидович Минаев
Геннадий Генрихович Левин
Алексей Дмитриевич Иванов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ" (ФГУП "ВНИИОФИ")
Priority to RU2019143562A priority Critical patent/RU2727783C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2727783C1 publication Critical patent/RU2727783C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02049Interferometers characterised by particular mechanical design details
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02Testing optical properties
    • G01M11/0242Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement.SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, namely to devices for three-dimensional analysis of refraction index of material using interferometry-based optical devices, and can be used for tomographic inspection of samples of optical products: optical fibers and their workpieces, gradient lenses, various optics and microelectronics products, including those obtained by additive techniques from polymer and other transparent materials. Device for measuring distribution of refraction index of transparent samples has a coherent light source, a Mach–Zehnder interferometer, a recording system and a test sample mounting unit. Interferometer is equipped with an input phase-shifting unit and a beam splitter forming the reference and measuring channels. Test sample installation unit is located in the measuring channel and contains a cell with an immersion liquid and a rotary device. Device is also provided with a similar reference sample installation unit located in the support channel and containing a cell with an immersion liquid and a rotary device.EFFECT: invention increases accuracy and range of measurements.4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для трехмерного анализа показателя преломления материала с помощью оптических средств на основе интерферометрии, и может быть использовано для томографического контроля образцов оптических изделий: оптических волокон и их заготовок, градиентных линз, различных изделий оптики и микроэлектроники, в том числе полученных методом аддитивных технологий из полимерных и прочих прозрачных материалов. Устройство позволяет выявлять наличие внутренних дефектов в исследуемых изделиях, как правило, характеризуемых неоднородностью материала, обусловленного локальным изменением показателя преломления. Такие дефекты влияют на качество изображения, формируемого с помощью данных оптических изделий, и передаваемых оптических сигналов. По этой причине важно контролировать неоднородности материала линз, и прочих оптических элементов.The invention relates to measuring technology, namely to devices for three-dimensional analysis of the refractive index of a material using optical means based on interferometry, and can be used for tomographic control of samples of optical products: optical fibers and their blanks, gradient lenses, various products of optics and microelectronics, including those obtained by the method of additive technologies from polymer and other transparent materials. The device makes it possible to detect the presence of internal defects in the investigated products, as a rule, characterized by material inhomogeneity caused by a local change in the refractive index. Such defects affect the image quality of these optical products and the transmitted optical signals. For this reason, it is important to control the inhomogeneity of lens material and other optical elements.

Из уровня техники известна голографическая установка для томографии, в которой происходит вращение исследуемого образца с одновременным освещением его с двух ракурсов (см. Kostencka, J., Kozacki, Т.,

Figure 00000001
М. (2017). Holographic tomography with object rotation and two-directional off-axis illumination. Optics Express, 25(20), 23920. doi:10.1364/oe.25.023920). Известный метод, в отличие от традиционных одноракурсных, повышает пространственное разрешение измерения показателя преломления и позволяет компенсировать ошибки, связанные с расфокусировкой в связи со смещением оси вращения и оси образца. Таким образом, в данном устройстве сочетаются преимущества двух методов: вращения образца и его двухракурсного освещения.A holographic device for tomography is known from the prior art, in which the sample under study rotates while illuminating it from two angles (see Kostencka, J., Kozacki, T.,
Figure 00000001
M. (2017). Holographic tomography with object rotation and two-directional off-axis illumination. Optics Express, 25 (20), 23920.doi: 10.1364 / oe.25.023920). The known method, in contrast to traditional single-angle ones, increases the spatial resolution of the refractive index measurement and makes it possible to compensate for errors associated with defocusing due to the displacement of the rotation axis and the sample axis. Thus, this device combines the advantages of two methods: rotation of the sample and its two-angle illumination.

Из уровня техники известна установка, в которой используется схема двулучевого интерферометра Маха - Цендера и устройство для вращения образца в кювете (см. Yunseong Jeon, Yunseong Jeon, Chung-Ki Hong, Chung-Ki Hong, "Rotation error correction by numerical focus adjustment in tomographic phase microscopy," Optical Engineering 48(10), 105801 (1 October 2009). https://doi.org/10.1117/1.3242833).An apparatus is known from the prior art, which uses a scheme of a two-beam Mach-Zehnder interferometer and a device for rotating a sample in a cuvette (see Yunseong Jeon, Yunseong Jeon, Chung-Ki Hong, Chung-Ki Hong, "Rotation error correction by numerical focus adjustment in tomographic phase microscopy, "Optical Engineering 48 (10), 105801 (October 1, 2009). https://doi.org/10.1117/1.3242833).

Из уровня техники также известна установка для измерения волнового фронта пучков света, основанная на интерферометре Маха - Цендера с применением наклонной пластины (см. CN1270159C, кл. G01B 9/02, опубл. 16.08.2006). Данная установка применяется для высокоточного определения длины волны полупроводниковых лазеров.A device for measuring the wavefront of light beams based on a Mach-Zehnder interferometer using an inclined plate is also known from the prior art (see CN1270159C, class G01B 9/02, publ. 16.08.2006). This setup is used for high-precision determination of the wavelength of semiconductor lasers.

Вышеописанные устройства и методы, как правило, имеют один измерительный канал и реализуют лишь прямую схему измерений. Это позволяет исследовать образцы, имеющие равномерное или плавное изменение показателя преломления. Однако для таких образцов как градиентная линза, в которой показатель преломления в сечении имеет резкие изменения (большой градиент), данные методы не подходят. Для этого должен быть использован относительный метод измерения.The above-described devices and methods, as a rule, have one measuring channel and implement only a direct measurement scheme. This allows examining samples with a uniform or smooth change in the refractive index. However, for samples such as a gradient lens, in which the refractive index in the cross section has sharp changes (large gradient), these methods are not suitable. For this, a relative measurement method must be used.

Из уровня техники известны способ спектрометрического исследования показателя преломления образца при помощи сравнения разностного сигнала с заранее заданным, путем изменения фазы между измерительным и опорным пучком, а также соответствующее устройство, которое имеет два измерительных канала, расположенных в разных плечах интерферометра Маха-Цендера (см. публикацию WO 2019018870 A1, кл. G01N 21/45, опубл. 31.01.2019). Однако, в процессе измерений алгоритмы реконструкции фазы не используются и, соответственно, не восстанавливается пространственное распределение фазы. Данная схема используется для определения интегрального показателя преломления прозрачных веществ и не подходит для определения пространственного распределения показателя преломления (ПРПП) в исследуемом объеме.The prior art discloses a method for spectrometric investigation of the refractive index of a sample by comparing a difference signal with a predetermined one, by changing the phase between the measuring and reference beams, as well as a corresponding device that has two measuring channels located in different arms of the Mach-Zehnder interferometer (see. publication WO 2019018870 A1, class G01N 21/45, publ. 31.01.2019). However, in the process of measurements, phase reconstruction algorithms are not used and, accordingly, the spatial distribution of the phase is not restored. This scheme is used to determine the integral refractive index of transparent substances and is not suitable for determining the spatial distribution of the refractive index (RFI) in the investigated volume.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов, содержащее источник когерентного освещения, интерферометр Маха - Цендера с входным светоделителем, формирующим опорный и измерительный каналы, и фазосдвигающим блоком, систему регистрации и блок установки тестового образца, расположенный в измерительном канале и содержащий кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством (см. патент JPH08304229A, кл. G01N 21/41, опубл. 22.11.1996). Известное устройство предназначено для измерения распределения показателя преломления оптических элементов и позволяет минимизировать влияние изменения параметров окружающей среды, таких как температура и др. Кювета описанного устройства содержит полую часть для размещения контролируемого оптического элемента, в которую помещается иммерсионный раствор, имеющий тот же показатель преломления (или близкий), что и показатель преломления измеряемого образца. При измерении распределения показателя преломления тестовый образец поворачивается вокруг оси, перпендикулярной оптической оси детектирования. Реконструкция ПРПП осуществляется известным методом компьютерной томографии. Основным недостатком известного устройства, как и вышеописанных одноканальных устройств, является невозможность его использования для образцов с резким изменением показателя преломления.The closest in technical essence to the proposed invention is a device for measuring the distribution of the refractive index of transparent samples, containing a source of coherent illumination, a Mach-Zehnder interferometer with an input beam splitter forming the reference and measuring channels, and a phase-shifting unit, a registration system and a test sample installation unit located in measuring channel and containing a cuvette with immersion liquid and a rotary device (see patent JPH08304229A, class G01N 21/41, publ. 22.11.1996). The known device is designed to measure the distribution of the refractive index of optical elements and allows you to minimize the influence of changes in environmental parameters, such as temperature, etc. The cuvette of the described device contains a hollow part for placing the controlled optical element, which is placed an immersion solution having the same refractive index (or close) as the refractive index of the measured sample. When measuring the refractive index distribution, the test sample is rotated around an axis perpendicular to the optical detection axis. Reconstruction of the PRPP is carried out by the known method of computed tomography. The main disadvantage of the known device, like the above-described single-channel devices, is the impossibility of using it for samples with a sharp change in the refractive index.

Технической проблемой является устранение вышеуказанных недостатков и создание универсального устройства, которое позволяет исследовать образцы с большим градиентом показателя преломления (например, градиентное оптическое волокно), контролировать прозрачные изделия как вдоль оптической оси (срезы), так и поперек (томографический режим), а также минимизировать влияние внешних факторов (например, температуры) на результаты высокоточных измерений. Технический результат заключается в увеличении точности и диапазона измерений. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов, содержащее источник когерентного освещения, интерферометр Маха-Цендера с входным светоделителем, формирующим опорный и измерительный каналы, и фазосдвигающим блоком, систему регистрации и блок установки тестового образца, расположенный в измерительном канале и содержащий кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством, снабжен блоком установки эталонного образца, расположенным в опорном канале и содержащим кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством. Фазосдвигающий блок предпочтительно выполнен в виде подвижного зеркала, зафиксированного на пьезоэлементе. Блок установки тестового образца и блок установки эталонного образца могут быть снабжены держателями срезов с проходным окном и оснащены устройствами перемещения, обеспечивающими возможность попеременной установки кюветы или проходного окна держателя на оптической оси соответствующего канала. Предлагаемое устройство может быть снабжено дополнительным сдвижным измерительным блоком, расположенным между источником когерентного освещения и входным светоделителем и содержащим кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством, причем в опорном канале расположена поворотная плоскопараллельная пластина, ось вращения которой перпендикулярна оптической оси опорного канала.A technical problem is the elimination of the above disadvantages and the creation of a universal device that allows examining samples with a large gradient of the refractive index (for example, a gradient optical fiber), controlling transparent products both along the optical axis (cuts) and across (tomographic mode), and also minimizing influence of external factors (for example, temperature) on the results of high-precision measurements. The technical result consists in increasing the accuracy and range of measurements. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that a device for measuring the distribution of the refractive index of transparent samples containing a source of coherent illumination, a Mach-Zehnder interferometer with an input beam splitter that forms the reference and measuring channels, and a phase-shifting unit, a registration system and a unit for installing a test sample, located in the measuring channel and containing a cuvette with immersion liquid and a rotary device, equipped with a block for setting a reference sample, located in the reference channel and containing a cuvette with immersion liquid and a rotary device. The phase-shifting unit is preferably made in the form of a movable mirror fixed on a piezoelectric element. The test sample installation unit and the reference sample installation unit can be equipped with slice holders with a passage window and equipped with displacement devices that provide the possibility of alternately installing the cuvette or the passage window of the holder on the optical axis of the corresponding channel. The proposed device can be equipped with an additional sliding measuring unit located between the source of coherent illumination and the input beam splitter and containing a cuvette with immersion liquid and a rotary device, and in the reference channel there is a rotary plane-parallel plate, the axis of rotation of which is perpendicular to the optical axis of the reference channel.

На фиг. 1 представлена конфигурация устройства для томографии тестового образца в кювете с иммерсионной жидкостью;FIG. 1 shows the configuration of a device for tomography of a test sample in an immersion liquid cuvette;

на фиг. 2 - конфигурация для высокоточного измерения показателя преломления тонкого среза образца в держателе срезов;in fig. 2 is a configuration for high-precision measurement of the refractive index of a thin section of a sample in a section holder;

на фиг. 3 - конфигурация для томографии тестового образца в режиме сравнения с самим собой (сдвиговый режим).in fig. 3 — Configuration for tomography of a test sample in a self-comparison mode (shear mode).

Предлагаемое устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов содержит источник 1 когерентного освещения и интерферометр Маха-Цендера с входным светоделителем 2, формирующим опорный и измерительный каналы, фазосдвигающим блоком в виде подвижного зеркала 3 на пьезоэлементе, выходным светоделителем 4 и поворотным зеркалом 5. Интерферограммы получают с помощью системы регистрации, включающей фокусирующую линзу 6 и видеокамеру 7. В качестве светоделителей 2, 4 может быть использован кубик или плоскопараллельная пластина с отражающим покрытием.The proposed device for measuring the distribution of the refractive index of transparent samples contains a source 1 of coherent illumination and a Mach-Zehnder interferometer with an input beam splitter 2 forming the reference and measuring channels, a phase-shifting unit in the form of a movable mirror 3 on a piezoelectric element, an output beam splitter 4 and a rotary mirror 5. Interferograms are obtained with using a registration system that includes a focusing lens 6 and a video camera 7. A cube or a plane-parallel plate with a reflective coating can be used as beam splitters 2, 4.

В измерительном канале расположен блок 8 установки тестового образца, содержащий поворотное устройство 9 в виде шагового двигателя для установки и вращения протяженного образца 10 и прозрачную кювету 11 с иммерсионной жидкостью (раствором) 12. В этом же боке 8 может быть установлен держатель 13 срезов с проходным окном. При этом блок 8 оснащен устройством перемещения, обеспечивающим возможность попеременной установки кюветы 11 или проходного окна держателя 13 на оптической оси измерительного канала.In the measuring channel there is a unit 8 for installing a test sample, containing a rotary device 9 in the form of a stepper motor for installing and rotating an extended sample 10 and a transparent cuvette 11 with an immersion liquid (solution) 12. In the same side 8, a holder 13 of sections with a pass-through window. In this case, the block 8 is equipped with a displacement device, which makes it possible to alternately install the cuvette 11 or the passage window of the holder 13 on the optical axis of the measuring channel.

В опорном канале расположена поворотная плоскопараллельная пластина 14, ось вращения которой перпендикулярна оптической оси этого канала. При установке перпендикулярно оптической оси пластина 14 не вносит изменений в геометрию измерений. В сдвиговом режиме сравнения с самим собой пластина 14 устанавливается под углом к оптической оси, при этом используют дополнительный сдвижной измерительный блок 15, расположенный между источником 1 когерентного освещения и входным светоделителем 2. Блок 15 также содержит кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством.In the support channel there is a rotary plane-parallel plate 14, the axis of rotation of which is perpendicular to the optical axis of this channel. When installed perpendicular to the optical axis, the plate 14 does not change the geometry of measurements. In the shift mode of comparison with itself, the plate 14 is set at an angle to the optical axis, while using an additional sliding measuring unit 15, located between the source 1 of coherent illumination and the input beam splitter 2. Block 15 also contains a cuvette with immersion liquid and a rotary device.

Кроме того, в опорном канале расположен блок 16 установки эталонного протяженного образца 17, аналогично содержащий поворотное устройство и прозрачную кювету с иммерсионной жидкостью. В блоке 16 может быть установлен держатель 18 эталонных срезов с проходным окном. При этом блок 16 оснащен устройством перемещения, обеспечивающим возможность попеременной установки кюветы или проходного окна держателя 18 на оптической оси измерительного канала.In addition, in the reference channel there is a unit 16 for installing a reference extended sample 17, which similarly contains a rotary device and a transparent cuvette with immersion liquid. In block 16, a holder 18 of reference slices with a passage window can be installed. In this case, the block 16 is equipped with a displacement device that allows the alternate installation of the cuvette or the passage window of the holder 18 on the optical axis of the measuring channel.

Использование схемы Маха-Цендера позволяет выполнять абсолютные и относительные измерения как вдоль оптической оси образца, так и поперек нее. Предложенная конструкция позволяет проводить измерения в следующих режимах:The use of the Mach-Zehnder scheme makes it possible to perform absolute and relative measurements both along the optical axis of the sample and across it. The proposed design allows measurements in the following modes:

I Абсолютные измерения:I Absolute measurements:

1) Вдоль оптической оси (срезы);1) Along the optical axis (slices);

2) Поперек оптической оси (томографический режим);2) Across the optical axis (tomographic mode);

II Относительные измерения (сравнение с эталоном):II Relative measurements (comparison with the reference):

1) Вдоль оптической оси (срезы);1) Along the optical axis (slices);

2) Поперек оптической оси (томографический режим);2) Across the optical axis (tomographic mode);

III Относительные измерения (сравнение с самим собой, сдвиговый режим):III Relative measurements (comparison with itself, shear mode):

1) Вдоль оптической оси (срезы);1) Along the optical axis (slices);

2) Поперек оптической оси (томографический режим).2) Across the optical axis (tomographic mode).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device works as follows.

Излучение источника 1 и попадает на светоделитель 2, который делит его на два пучка. В оптической схеме может использоваться расширитель пучка. Один пучок отражается от подвижного зеркала 3, проходит через блок 8 установки тестового образца и попадает на второй светоделитель 4. Второй пучок проходит через плоскопараллельную пластину 14, блок 16 установки эталонного образца, отражается от зеркала 5 и попадает на светоделитель 4. После светоделителя 4 оба пучка проходят через линзу 6 и попадают на матрицу видеокамеры 7, которая регистрирует их интерференционную картину. Линза 6 строит изображение объекта на матрице видеокамеры 7, поэтому блоки 8 и 16 отстоят на одинаковом расстоянии от светоделителя 4, так что L1=L2. Каждый из двух блоков 8, 16 представляет собой подвижный столик, который может перемещаться в направлении поперек пучка света. Столик позволяет крепить как сами образцы 10, 17, так и их срезы 13, 18.Radiation from source 1 hits the beam splitter 2, which divides it into two beams. A beam expander can be used in the optical design. One beam is reflected from the movable mirror 3, passes through the unit 8 for installing the test sample and hits the second beam splitter 4. The second beam passes through the plane-parallel plate 14, unit 16 for installing the reference sample, is reflected from the mirror 5 and hits the beam splitter 4. After the beam splitter 4, both the beam pass through the lens 6 and fall on the matrix of the video camera 7, which registers their interference pattern. Lens 6 builds an image of the object on the matrix of the video camera 7, therefore blocks 8 and 16 are spaced at the same distance from the beam splitter 4, so that L1 = L2. Each of the two blocks 8, 16 is a movable stage that can move in the direction across the light beam. The table allows you to attach both the samples 10, 17 themselves, and their sections 13, 18.

В основе работы установки лежит автоматическая расшифровка интерферограмм по методу фазовых шагов, реализуемому по набору интерферограмм с различным фазовым сдвигом. Устройство позволяет измерять пространственное распределение показателя преломления (ПРПП) исследуемых изделий вдоль и поперек оптической оси. В первом случае излучение проходит вдоль оси изделий, толщина которых заранее известна. С помощью метода фазовых шагов измеряется оптическая разность хода (ОРХ) излучения, которая затем нормируется на толщину изделия и восстанавливается ПРПП вдоль оси. В этом режиме исследуются срезы волокон, их заготовок и градиентных линз. Во втором случае излучение проходит поперек оси, и с помощью метода фазовых шагов измеряется ОРХ под определенным углом. В томографии это называется проекцией. Далее изделие поворачивается на заданный угол и измерение повторяется. По набору проекций, полученных в угловом диапазоне от 0 до 180 градусов с помощью алгоритма томографической реконструкции восстанавливается ПРПП поперек оси (в сечении). В этом случае нет необходимости разрушать исследуемое изделие для того, чтобы определить ПРПП в его сечении.The operation of the installation is based on the automatic interpretation of interferograms by the method of phase steps, which is implemented using a set of interferograms with different phase shifts. The device allows you to measure the spatial distribution of the refractive index (RFI) of the investigated products along and across the optical axis. In the first case, the radiation passes along the axis of the products, the thickness of which is known in advance. Using the method of phase steps, the optical path difference (OPD) of the radiation is measured, which is then normalized to the thickness of the product and the RPDD along the axis is restored. In this mode, sections of fibers, their blanks and gradient lenses are examined. In the second case, the radiation travels across the axis, and using the phase step method, the OPX is measured at a certain angle. In tomography, this is called a projection. Then the product is rotated at a given angle and the measurement is repeated. Based on a set of projections obtained in the angular range from 0 to 180 degrees using the tomographic reconstruction algorithm, the PRPP is reconstructed across the axis (in section). In this case, there is no need to destroy the investigated product in order to determine the RPP in its section.

Устройство позволяет осуществлять как абсолютные, так и относительные измерения. В первом случае волновой фронт излучения, прошедшего через тестовый образец, сравнивается с плоским опорным волновым фронтом. В этом режиме исследуются образцы с постоянным или плавным изменением показателя преломления. Во втором случае волновой фронт излучения, прошедшего через тестовый образец, сравнивается с эталонным волновым фронтом, формируемым с помощью эталонного образца, расположенного в опорном канале. Это позволяет уменьшить градиент волнового фронта, обусловленного показателем преломления тестового образца, за счет вычитания из него эталонного волнового фронта. Также устройство позволяет проводить относительные измерения в режиме сравнения волнового фронта, прошедшего через тестовый образец, со сдвинутой копией самого себя - сдвиговый режим. В этом режиме образец находится перед интерферометром, который делит исходный волновой фронт на два, один из которых также имеет поперечный сдвиг. В этом случае восстанавливается не ОРХ, а производная от нее. Относительные измерения позволяют исследовать образцы, имеющие большой градиент показателя преломления.The device allows both absolute and relative measurements. In the first case, the wavefront of radiation transmitted through the test sample is compared with a flat reference wavefront. In this mode, samples with a constant or smooth change in the refractive index are examined. In the second case, the wavefront of radiation that has passed through the test sample is compared with a reference wavefront formed using a reference sample located in the reference channel. This allows you to reduce the wavefront gradient due to the refractive index of the test sample by subtracting the reference wavefront from it. The device also allows making relative measurements in the mode of comparison of the wavefront passed through the test sample with a shifted copy of itself - the shift mode. In this mode, the sample is in front of the interferometer, which divides the original wavefront into two, one of which also has a transverse shift. In this case, it is not the OPH that is restored, but the derivative of it. Relative measurements make it possible to study samples with a large refractive index gradient.

Ниже показаны варианты работы установки в режиме относительных измерений.The options for operating the unit in the mode of relative measurements are shown below.

На фиг. 1 изображена конфигурация устройства для томографии тестового образца 10. В данной конфигурации волновой фронт, прошедший через образец 10, сравнивается с эталонным волновым фронтом, образуемым за счет эталонного образца 17. При этом плоскопараллельная пластина 14 устанавливается перпендикулярно падающему на нее пучку, а дополнительный измерительный блок 15 выдвинут из зоны распространения света.FIG. 1 shows the configuration of the device for tomography of the test sample 10. In this configuration, the wavefront passing through the sample 10 is compared with the reference wavefront formed by the reference sample 17. In this case, the plane-parallel plate 14 is installed perpendicular to the incident beam, and an additional measuring unit 15 pushed out of the light propagation zone.

На фиг. 2 изображена конфигурация устройства для высокоточного измерения показателя преломления тонкого среза 13 тестового образца. В данной конфигурации распределение показателя преломления среза 13 тестового образца сравнивается со срезом 18 эталонного образца. При этом плоскопараллельная пластина 14 устанавливается перпендикулярно падающему на нее пучку. Дополнительный измерительный блок 15 выдвинут из зоны распространения света.FIG. 2 shows the configuration of a device for high-precision measurement of the refractive index of a thin section 13 of a test sample. In this configuration, the distribution of the refractive index of the slice 13 of the test sample is compared with the slice 18 of the reference sample. In this case, the plane-parallel plate 14 is installed perpendicular to the beam incident on it. An additional measuring unit 15 is extended from the light propagation zone.

На фиг. 3 изображена конфигурация устройства для томографии тестового образца в режиме сравнения с самим собой (сдвиговый режим). При этом для создания сдвига одного волнового фронта относительно другого плоскопараллельная пластина 14 поворачивается на небольшой угол относительно вертикальной оси. Дополнительный измерительный блок 15 сдвинут в зону распространения света перед светоделителем 2.FIG. 3 depicts the configuration of an apparatus for tomography of a test sample in a self-comparison mode (shear mode). In this case, to create a shift of one wavefront relative to the other, the plane-parallel plate 14 is rotated by a small angle relative to the vertical axis. An additional measuring unit 15 is shifted into the light propagation zone in front of the beam splitter 2.

Таким образом, предложенная конструкция позволяет проводить высокоточные измерения в широком диапазоне и исследовать различные образцы, в том числе, с большим градиентом показателя преломления вдоль и поперек их оптической оси, а также минимизировать влияние внешних факторов.Thus, the proposed design makes it possible to carry out high-precision measurements in a wide range and to study various samples, including those with a large gradient of the refractive index along and across their optical axis, as well as to minimize the influence of external factors.

Claims (4)

1. Устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов, содержащее источник когерентного освещения, интерферометр Маха-Цендера с входным светоделителем, формирующим опорный и измерительный каналы, и фазосдвигающим блоком, систему регистрации и блок установки тестового образца, расположенный в измерительном канале и содержащий кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством, отличающееся тем, что снабжен блоком установки эталонного образца, расположенным в опорном канале и содержащим кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством.1. A device for measuring the distribution of the refractive index of transparent samples, containing a source of coherent illumination, a Mach-Zehnder interferometer with an input beam splitter forming the reference and measuring channels, and a phase-shifting unit, a registration system and a test sample installation unit located in the measuring channel and containing a cuvette with an immersion liquid and a rotary device, characterized in that it is equipped with a block for setting the reference sample, located in the reference channel and containing a cuvette with immersion liquid and a rotary device. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фазосдвигающий блок выполнен в виде подвижного зеркала, зафиксированного на пьезоэлементе.2. The device according to claim 1, characterized in that the phase-shifting unit is made in the form of a movable mirror fixed on the piezoelectric element. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок установки тестового образца и блок установки эталонного образца снабжены держателями срезов с проходным окном и оснащены устройствами перемещения, обеспечивающими возможность попеременной установки кюветы или проходного окна держателя на оптической оси соответствующего канала.3. The device according to claim 1, characterized in that the test sample installation unit and the reference sample installation unit are equipped with section holders with a passage window and are equipped with displacement devices that provide the possibility of alternately installing the cuvette or the passage window of the holder on the optical axis of the corresponding channel. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено дополнительным сдвижным измерительным блоком, расположенным между источником когерентного освещения и входным светоделителем и содержащим кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством, причем в опорном канале расположена поворотная плоскопараллельная пластина, ось вращения которой перпендикулярна оптической оси опорного канала.4. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional movable measuring unit located between the source of coherent illumination and the input beam splitter and containing a cuvette with immersion liquid and a rotary device, and in the reference channel is a rotary plane-parallel plate, the axis of rotation of which is perpendicular to the optical the axis of the reference channel.
RU2019143562A 2019-12-24 2019-12-24 Transparent samples refraction index distribution measurement device RU2727783C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143562A RU2727783C1 (en) 2019-12-24 2019-12-24 Transparent samples refraction index distribution measurement device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143562A RU2727783C1 (en) 2019-12-24 2019-12-24 Transparent samples refraction index distribution measurement device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2727783C1 true RU2727783C1 (en) 2020-07-23

Family

ID=71741385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019143562A RU2727783C1 (en) 2019-12-24 2019-12-24 Transparent samples refraction index distribution measurement device

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2727783C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08304229A (en) * 1995-05-09 1996-11-22 Ricoh Co Ltd Method and instrument for measuring refractive index distribution of optical element
CN1270159C (en) * 2005-02-23 2006-08-16 中国科学院上海光学精密机械研究所 Mach-Zehnder type phase shift vector shearing interferometer
RU2396547C1 (en) * 2009-05-04 2010-08-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный университет (НГУ) Method of measuring distribution of complex refraction index values of high-absorption specimens
WO2019018870A1 (en) * 2017-07-26 2019-01-31 Technische Universität Wien Method for spectroscopically or spectrometrically examining a sample, and interferometric device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08304229A (en) * 1995-05-09 1996-11-22 Ricoh Co Ltd Method and instrument for measuring refractive index distribution of optical element
CN1270159C (en) * 2005-02-23 2006-08-16 中国科学院上海光学精密机械研究所 Mach-Zehnder type phase shift vector shearing interferometer
RU2396547C1 (en) * 2009-05-04 2010-08-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный университет (НГУ) Method of measuring distribution of complex refraction index values of high-absorption specimens
WO2019018870A1 (en) * 2017-07-26 2019-01-31 Technische Universität Wien Method for spectroscopically or spectrometrically examining a sample, and interferometric device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5168168B2 (en) Refractive index measuring device
CN106092514B (en) Optical heterogeneity measuring device and method based on dual wavelength fizeau interferometer
KR20120029329A (en) Measuring method of refractive index and measuring apparatus of refractive index
JP2013117533A (en) Low coherence interferometric system for phase stepping shearography combined with 3d surface shape measurement
KR20220073765A (en) Apparatus and method for imaging and interferometry
CN110702614B (en) Ellipsometer device and detection method thereof
US3614235A (en) Diffraction grating interferometer
JP2008082811A (en) Optical characteristic measuring method and optical characteristic measuring instrument for thin film
RU2727783C1 (en) Transparent samples refraction index distribution measurement device
US20030161038A1 (en) Microscope and method for measuring surface topography in a quantitative and optical manner
US9671602B2 (en) Measurement method for height profiles of surfaces using a differential interference contrast image
JP2013024720A (en) Refractive index measurement method, refractive index measurement instrument, and refractive index measurement program
JP3871183B2 (en) Method and apparatus for measuring three-dimensional shape of optical element
US20060023225A1 (en) Microscope and method of measurement of a surface topography
Philbert et al. Interferometry
RU2083969C1 (en) Interference method of measurement of refractive index in specimens with refractive index gradient
JP3599921B2 (en) Method and apparatus for measuring refractive index distribution
RU2718139C1 (en) Apparatus for determining quality of optical elements
JPH11108837A (en) Apparatus for measuring refractive index distribution
KR100517296B1 (en) Apparatus for inspecting optical element
JPH02228512A (en) Highly accurate laser measurement method and apparatus for surface of solid
Iwata et al. Profile measurement with a phase-shifting common-path polarization interferometer
JPH1078373A (en) Method and device for measuring refractive index distribution
Tian et al. High-precision refractive index distribution measurement of optical waveguides
Calatroni et al. Multi-channelled white-light interferometry for real-time dispersion measurements

Legal Events

Date Code Title Description
QZ41 Official registration of changes to a registered agreement (patent)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200630

Effective date: 20210817

QZ41 Official registration of changes to a registered agreement (patent)

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20200630

Effective date: 20211215