Способ определения оптической толщины сканирующего интерферометра фабри-перо и устройство для его осуществления

 

1, Способ определения оптической толгдины сканирующего интерферометра Фабри-Перо, заключающийся в том, что облучают интерферометр оптическим излучением, получают интерференционную картину и осуществляют ее модуляцию, регистрируют сдвиг максимумов интерференционной картины, по которому определяют оптическую толщину, отлич ающийся тем, что, с целью упрощения определения оптической толщины, облучение интерферометра производят излучением на двух длинах волн, модуляцию интерференционной картины осуществляют сканируя оптическую толщину интерферометра линейно изменяющимся напряжением , а оптическую толщину определяют по формуле А 4 (K, Т где X, и Хл длины волн излучения; &Г время между моментами появления соседних максимумов одного порядка для X, и ,Я2,г Т время между моментами появления двух максимумов соседних порядков для одной из длин волн Л , или fl-j. --1 сд

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11)

3(51) G 0 1 В 2 1/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (21) 3408663/18-28 (22) 12.03.82 (46) 23.02,84, Бюл. 9 7 (72) 10,В .Евдокимов, Л,Л.Кравчинский и М.Б.Штенгер (53) 531,71 (088 . 8) (56) 1, Патент США Р 4092070, кл, G 01 В 9/02, 1978.

2. Патент Франции Р 2360118 р кл. G 05 D 3/00, 1978 (прототип), (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ

ТОЛЩИНЫ СКАНИРУЮЩЕГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

ФАБРИ-. ПЕРО И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ определения оптической толщины сканирующего интерферометра Фабри-Перо, заключающийся в том, что облучают интерферометр оптическим излучением, получают интерференционную картину и осуществляют ее модуляцию, регистрируют сдвиг максимумов интерференционной картины, по которому определяют оптическую толщину, отличающийся тем, что, с целью упрощения определения оптической толщины, облучение интерферометра производят излучением на двух длинах волн, модуляцию интерференционной картины осуществляют сканируя оптическую толщину интерферометра линейно изменяющимся напряжением, а оптическую толщину определяют по формуле где Х и Х вЂ” длины волн излучения; время между моментами появления соседних максимумов одного порядка для Х t и Z,. (— время между момейтами появления двух максимумов соседних порядков для одной иэ длин волн Я, или Я, 1075074 ее модуляцию, регистрируют сдвиг максимумов интерференциальной картины, по которому определяют оптическую толщину. Регистрация производит5 ся при изменении угла падения излучения на интерферометр (21 .

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения оптической толщины сканирующего р интерферометра Фабри-Перо, содержа— щее источник оптического излучения, установленные последовательно по ходу светового луча коллиматор и интерферометр с пьезоэлементом, рас— положенные на выходе интерферометра линзу, диафрагму и фотоприемник, блок обработки информации, подключенный к выходу последнего, блок питания интерферометра, информационный вход которого соединен с выходом блока обработки информации, а выход — с пьезоэлементом интерферометра, задающий генератор прямоугольных импульсов, выходы которого соединены с синхронизирующими входами 5 блока обработки информации и блока питания интерферометра.

Источник света выполнен монохроматическим, а блок питания содержит компаратор, источник опорных напря30 жений, соединенный с последним, блок памяти и усилитель мощности, а оптический канал содержит блок модуляции угла падения излучения на пла— стины интерферометра (2j .

Изобретение относится к измери— тельной технике и может быть исполь— зовано при измерении размеров и перемещений объектов для автоматического регулирования расстояния между пл ас тинами и н терферо метр а, входящей в состав и з меритель ной си стемы.

Известен способ определения оптической толщины интерферометра, зак— лючающийся в облучении его монохроматичес ким коллимированным излучением под разными углами и анализе смещения интерференционной картины (1) .

Известно устройство для определения оптической толщины интерферометров, содержащее источник излучения и расположенные по ходу светового луча управляемый оптический фильтр коллиматор, блок призм, разделяющий световой поток на два пучка с различными углами наклона к оптической оси, интерферометр, линзу и фотоприемник в каждом иэ световых потоков и измеритель ную схему, содержащую компаратор, соединенный с блоком управления интерферометром f1) .

Недостатком устройства и способа является ei-o сложность, вызванная необходимостью облучения интерферометра излучением под разными углами, в частности наличия в конструкции устройства сложного оптического блока и поворотного блока в интерферо— метре.

Наиболее близким к изобретению является способ определения оптической толщины сканирующего интерферометра Фабри-Перо, заключающийся в том, что облучают интерферометр оптическим излучением, получают интерференционную картину и осуществляют

2. Устройство для определения оптической толщины сканирующего интерферометра Фабри-Перо, содержащее источник оптического излучения, установленные последовательно по ходу светового луча коллиматор и ин— терферометр с пьезоэлементом, расположенные на выходе интерферометра линзу, диафрагму и фо топриемни к, блок обработки информации, подключенный к выходу последнего, блок питания интерферометр а, и нформаци онный вход которого соединен с выходом блока обработки информации, а выход — с пьезоэлементом интерферометра, задающий

re нер атор прямоу гольных импульсов, выходы которого соединены с синхрониэирующими входами блока обработки информации и блока питания ичтерферометра, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, источник оптического излучения выполнен в виде спектральной лампы, за коллиматором на входе ин— терферометра установлен оптический фильтр, а блок питания выполнен в виде генератора треугольных импуль— сов и сумматора, первый вход которого соединен с генератором треуголь— ных импульсов, второй является вхо— дом блока питания, соединенным с блоком обработки информации, выход сумматора является выходом блока питания, а вход генератора треугольных импульсов — синхронизирующим входом блока питания.

Недостатком известного способа и устройства является их сложность, обусловленная необходимостью обеспе— чения изменения угла падения излу40 чения на пластины интерферометра.

1075074

Целью изобретения является упрощение. определения оптической толщины, и упрощение конструкции устройства.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения оптической толщины сканирующего интерферометра Фабри-Перо, заключающемуся в том, что облучают интерферометр оптическим излучением, получают интерференционную картину и осуществляют ее модуляцию, регистрируют сдвиг максимумом интерференционной картины, по которому определяют оптическую толщину, облучение интерферометра производят излучением

15 на двух длинах волн, модуляцию интерПоставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения оп 35 тической толщины сканирующего интерферометра Фабри-Перо, содержащем источник оптического излучения, установленные последовательно по ходу светового луча коллиматор и интерфе40 рометр с пьезоэлементом, расположенные на выходе интерферометра линзу, диафрагму и фотоприемник, блок обработки информации, подключенный к выходу последне ro, блок питания интерферометра, информационный вход которого соединен с выходом блока обработки информации, а выход — с пьезоэлементом интерферометра, задающий генератор прямоугольных импульсов, выходы которого соединены с синхронизирующими входами блока обработки информации и блока питания интерферометра, источник оптического излучения выполнен в виде спектральной лампы, за коллиматором на входе интерферометра установлен оптический фигВтр, а блок питания выполнен в виде генератора треугольных импульсов и сумматора, первый вход которо45

55

65 го соединен с генератором треугольных импульсов, второй является входом блока питания, соединенным с блоком обработки информации, выход сумматора является выходом блока питания, а вход генератора треугольференционной картины осуществляют сканируя оптическую толщину интерфе-, рометра линейно изменяющимся напряжением, а оптическую толщину опреде- 0 ляют по формуле

Az е=— (х<- х 1 Г где Х Х вЂ” длины волн излучения;

Р— время между момент ами появления соседних максимумов одного порядка для Х1 и йу,.

7 — время между момент.ами появления двух макси- З0 мумов соседних порядков для одной из длин волн h1 или 3 . ных импульсов — синхронизирующим входом блока питания.

На фиг, 1 изображен график распределения интенсивности освещенности в интерференционной картине; на фиг. 2 — блок-схема устройства.

Способ основан на том, что облучают интерферометр излучением на двух данных волн, анализируют апПаратную функцию (зависимость коэффициента пропускания от оптической толщины), которая определяется формулой Эри где — коэффициент пропускания; коэффициент отражения пластин интерферометра;

h,,Ú - длина волн излучения; — оптическая толщина интерферометра; угол падения излучения на пластины, принимает вид, показанный на фиг. 1.

В результате анализа устанавливают, что расстояние между максимумами соседних порядков при нормальном падении излучения (g0) для 3 (1, ) равно Я1/я а для Я ()„ ) соответст венно Яzy.

Следовательно расстояние между максимумами интерференции одного порядка (Ъ(п ) для 3, и я равно (Я1- h g) йя=п 1 з (2) где h — порядок интерференции, соответствующий определенной оптической толщине интерферометра

4Е,„ (e„„);

$(t принимается е„„.е„ е,„2 (4) 1 где „, дя — оптические толщины интерферометра, соответствующие интерференционным максимумам одного порядка.

В результате преобразований полу чают

Я а„= е„„, %11 Я

Оптическая толщина интерферометра пропорциональна расстоянию между максимумами интерференции одного порядка для Я и h< (ЬЯд ). Лля упрол

Ф вЂ” э (feoeq) (s Р(,— "Е.о я1 1 A ) () - 1, (1) 1075074 щения (t, !(Относя-.. к рас.стоянию межJty макс:имумак«соседних порядков

ДЛЯ <3,

7(, > С(,! тогда

® - « <1 (;„,) Затем мОдулиру!От интерференциОнную картину.

От!«Още((ие расстОЯнии hE„I с«7 заменя- 1О от на ОТHot! енис cooTBeтству!ощих врелЕННЬ!Х ИНТЕ(3ВаЛОВ ((((1(< а Х(3 На

Т.с. с пагрещность(о не более %.(Ig3 мож— но допустить, что определяемая it0 формуле (б) толщина интерферометра меняется не дискретно, в саответстi Hè с изменением порядка интерве" eн!.;.(-«и, а непрерывной. Г(ри этом Оп". !; (= c1< ê тОлшину сканиргл<о!! eгo интер— .:рамс"(13a Фабри — Пего, п(п<3e(,eJ;s((<(T r(o

Р 1 «« 7 .

«() с 1 !«peti(Ã((

JI e и и я с О с е,ц н и х- м а к с.. и му мО в

ti0p s«,1t:< а дл H

1 — Bi3eÌH < ЯЖДУ !".ОМЕНТ а%.! ПО ЯВв, ления двух максимумов сo— седних порядков для <(2

Т:!(

;-!Н(х г(оследавательно ход3 светового

<луча 1<аллиматора, 011(и . е сl<ОГО ф;- Tp<(,, интe(p4!epo!(e (13e ", 3«HH3(i 5, 4О

Диафрагмы 6; (кру г

<арт: ны),, и вотоприемника 7< блока 8

0 613 абОт ки и=l формации СО<=ДИ н <эн(-: О О с, фотоприемником 7, блок 9 питания интерйерометра< соединенн (й с блоком 8 обработки инва!3:;ац<«<(, задающего генеpат0ра 1 0 HpЯмоу Голb !(ых имггульсо В, с О e JT t t н е- н н 0 Г 0 с с и (-! х (3 О н и 3 H p у ю щи м и

Входами блока 8 обработки информации

50 и блока 9 питания интерфераметра, ;«нгерферометр 4 содержит пьезоэлем-. !«т 1. 1, соедь<неннь!й с !Выходам блок:-(;- г! т а н и и н I е р ф ер <3 ме т р а .

Блок 8 обрабат-<(1 информап<ии "ocTo

Гг из формирователя 12 импул,сОВ кОмму Bò013а 1 3, сООД IHeHH01 о с ПОс .ЛОДним па ДBQ(t ВКОДам Генератора 14 .«ас(отпых меток, соеди «енного с коммутатором 13, соединенных последов;«тельнО пО Двум выходам узла 15 60

ДВОИН((ых c :етчикОВ, узла 1. б BВОда Вывода и вьг«ислителя 17, соединенных последовательно загюминающего узла

18 и цифра-аналогового преобразователя 19< форм(«рователь 12 соединен также с узлом 16, который связан также с запоминающим узлам (8. Блок 9 питания интерферометра состоит из соединенных последовательно :енератора 20 треугольных импульсов и сумматора 21., второй Вход которого является информационным входом блока 9 питания, соединенным с цифра-анало— говым преобразователем 19 блока 8 обработки информации, Выход суы(атора 21 является выходом блока 9 питания соединенным с пьезоэлемен— том 11 вход генератора 20 треуголь— ных импульсов и второй вход запоми— нающего узла 18 являются синхронизирующими входами соответственно бло— ка 8 обработки инвормации и блока 9 питания .

Устройство работает следующим образс«м. (!pH облучении инт=-рверометра. 4 и злу ici! Håм,- содержащи<м две длины

ВОЛН! 3 ((< (! ((g И П130,-;;-.Дг((3«М «е13 ЕЗ i

РаССт О ЯНИ Е МЕЖДУ !лаК СИ!лУМа.лт; ( (кольцами) интерференции равного пав рядка, соответствующих разным дли— нам волн < зависит нс тОлька от зна чений длины волн, но и от оптической толщинь-. интерферометра 4. РассTîÿ— ние же между максимумами соседних порядков, соответству(ощих одной дли— не волны, например, 1,1, не з ависит от оптической тол(<<и!«ь. ин.-.ерферометра 4 и пропорционально Я2 /2 „Задающим генeратаpа(л 10 и генератором 20

B hIp а 0 <3 T Bl B а е T— нa(:ряжение, которое после г.мматора 21 подается

:a пьезоэлемент 11. А"i-литуда г!адаэаемого напряжения IJВ! Oпределяется из уcJIoBHR равенства амплитуды модуля— ции интерверенциальной картины расстояни(с между максимумами соседних г(ОрядкОВ инт<=13фе13е!«Дии ° т . e, J (, 2 К где Х вЂ” пьезоэлекTpH сский модуль столбиков пьезоэлемента 1 1 интерфе—

p0i.(етра

При подаче напряжения на столби— ки пьезоэлемента 11 г роисходит сканирование оптической толщины интерферометра 4 и, следовaTельно, моду— ляция интерференционной .<артины, вь<зывающая на Выходе фотоприе(мника б изменение электрическог-о сигнала.

Это изменение анализируют блоком

1075074

ВНИИПИ Заказ 487/33 Тираж 587 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4 обработки информации. При этом с выходов формирователя 12 снимаются импульсы разной длительности, равной соответст венно интервалу времени между моментами появления максимумов интерференции одного порядка для

Я, и Я (аТ ) и интервалу времени между моментами появления максимумов соседних порядков интерференции для большей длины волны h (Т) . Следовательно, длительности этих импуль-10 сов пропорцион альны соответственно, первая — оптической толщине интерферометра 4, вторая — только длине волны h, и используется для нормирования первого импульса. Затем с )5 помощью коммутатора 13, генератора 14 и узла 15 происходит заполнение импульсов частотными метками и пересчет этих меток. Затем узел 16 осуществляет ввод значений длительности 2О .сформированных импульсов в вычислитель 17, где в соответствии с программой определяется толщина интерферометра (25

Полученное текущее значение толщины отображается на табло вычислителя и сравнивается с заданным, При этом разностный сигнал с помощью узла 16 выводится из вычислителя 17 в цифровой форме, поступает в запоминающий узел 18, где хранится до прихода следующего сигнала и затем, с помощью преобразователя 19, преобразуется в аналоговую форму.

Поступая в блок 9 питания интерферометра, сигнал суммируется с линейно изменяющимся напряжением и подается одновременно на все столбики пьезоэлемента 11. При этом толщина интерферометра 4 меняется в зависимо сти от знака разностного сигнала.

Если измеренная толщина оказалась больше заданной Р то знак разностного сигнала, поступающего на пьезоэлемент 11, положителен и вызывает уменьшение толщины интерферометра 4 и т.д. Процесс идет до полной установки оптической толщины, т.е, равенства нулю разностного сигнала, (при этом на вход сумматора 21 подаются разнополярные импульсы треугольной формы), а на выходе сумматора изменение напряжения происходит в обе стороны от величины постоянного смещения (или раэностного сигнала),которое соответствует устанавливаемой толщине интерферометра 4(Q

Таким образом, при использовании в качестве источника оптического излучения спектральной лампы, излучение которой содержйт не менее двух длин волн, и выполнения блока питания интерферометра в виде генератора треугольных импульсов и сумматора, а также введении оптического фильтра, расположенного между коллиматором и интерферометром, достигается упрощение устройства, ведущее к уменьшению его габаритов и cTQHMocTH изготовления, l

I

1

I

I

I

1

1