Интерферометрическое устройство для измерения физических параметров прозрачных слоев (варианты)

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины и показателя преломления прозрачных слоев. Устройство может быть использовано для непрерывного бесконтактного контроля толщины полированного стекла на "горячих" стадиях его производства. Разработанное устройство позволяет повысить точность измерения физических параметров прозрачных слоев в условиях, когда измеряемый слой или окружающая его среда находится под воздействием высокой или низкой температуры, вибраций, сильных электрических и магнитных полей или других факторов, затрудняющих работу прецизионных измерительных устройств. Для этого в интерферометрическое устройство, содержащее источник низкокогерентного света, модулятор оптического пути, светоделитель и фотодетектор, в первом варианте конструкции введены подвижное полупрозрачное зеркало и отрезок оптического волокна. Отрезок оптического волокна расположен между светоделителем и измеряемым слоем, при этом конец оптического волокна оптически связан с измеряемым слоем. Во втором варианте конструкции устройства между источником света и светоделителем дополнительно введен второй светоделитель, оптически связанный с модулятором оптического пути и с дополнительно введенным подвижным зеркалом, между светоделителем и измеряемым слоем введен отрезок оптического волокна, конец которого оптически связан с измеряемым слоем. В плоскости фотодетектора формируется интерференционная картина за счет отражения от передней и задней поверхности слоя и по результатам анализа Фурье-спектра фототока удается поддерживать постоянство произведения толщины измеряемого слоя на его коэффициент преломления. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике, а именно к оптическим интерферометрам, и может быть использовано для бесконтактного измерения толщины и показателя преломления прозрачных слоев, а также физических величин, от которых зависят вышеуказанные параметры, в частности температуры, давления и т.д. Устройство может быть использовано, например, для непрерывного бесконтактного контроля толщины полированного стекла на "горячих" стадиях его производства, при температурах 500 - 600^oC.

Задача непрерывного бесконтактного измерения толщины и показателя преломления прозрачных слоев возникает при производстве стекла, полимерных пленок и в ряде других технологических процессов. Так, при производстве полированного стекла толщину стеклянной ленты необходимо контролировать с точностью порядка 0.1 мм, причем этот контроль следует осуществлять на тех стадиях производства, когда стекло еще мягкое и возможный брак может быть исправлен. Это означает, что температура стекла в зоне контроля должна быть не ниже 500^oC600^oC. Таким образом, измерительное устройство должно работать в условиях высокой температуры, в нестационарной турбулентной среде, создаваемой восходящими потоками раскаленного воздуха; кроме того, могут присутствовать такие факторы, как вибрация, электромагнитные помехи и т.д. В отечественной стекольной промышленности задача непрерывного контроля толщины стекла на "горячих" стадиях производства до сих пор не решена. Контроль толщины осуществляется на холодном стекле, выборочно, вручную, поэтому брак может быть лишь обнаружен, но не устранен. Непрерывный контроль толщины "горячего" стекла позволил бы существенно уменьшить долю брака и повысить качество выпускаемой продукции.

Известно устройство для непрерывного бесконтактного измерения толщины ленты стекла, выпускаемое фирмой "Beta Instrument Europe", основанное на освещении измеряемого слоя пучком света, падающим на измеряемый слой под определенным углом, отличным от прямого, и измерении расстояния между пучками, отраженными от передней и задней поверхностей измеряемого слоя (D.Buelens, Float glass thickness measurement new system. Automotive Glass, 2/90, pp. 37-40). Устройство содержит пару идентичных измерительных головок, каждая из которых включает He-Ne лазер в качестве источника света и ПЗС- камеру в качестве приемника излучения. Головки могут быть удалены от измеряемого слоя не более чем на 55 мм. Диапазон рабочих температур измерительной головки лежит в пределах от -40 до +40^oC. При температуре окружающей среды более +75^oC необходимо использовать систему жидкостного охлаждения, которой снабжена каждая из головок.

Основными недостатками устройства являются его низкая точность и недостаточная надежность при измерении толщины "горячего" стекла. Основная причина этих недостатков заключается в том, что лучи, отраженные от поверхностей измеряемого слоя, разделены в пространстве и распространяются по разным путям. Случайные некоррелированные искажения траекторий этих лучей при их прохождении сквозь турбулентную воздушную прослойку между раскаленным до 600^oC стеклом и приемником излучения приводят к флюктуациям расстояния между лучами на входе ПЗС-камеры. Амплитуда этих флюктуаций (и, следовательно, погрешность измерений) растет по мере увеличения расстояния между измерительной головкой и измеряемым слоем. Это приводит к необходимости размещать измерительную головку в непосредственной близости от измеряемого слоя (на расстоянии нескольких сантиметров) и тем самым подвергать ее воздействию всех неблагоприятных факторов "горячего" производства, в первую очередь, высокой температуры. В результате устройство оказывается практически неработоспособным: во-первых, оно не обеспечивает требуемой точности, а во-вторых, не позволяет осуществлять непрерывных измерений, поскольку работу периодически приходится прерывать из-за перегрева измерительных головок.

Недостатки аналога частично преодолены в интерферометрическом устройстве для реализации способа измерения физических констант прозрачных слоев (заявка Японии N 56-6482, М.кл³. G 01 B 11/06, G 01 N 21/45, публикация 1981 г. ), которое содержит расположенные последовательно, оптически связанные низкокогерентный источник света, первый светоделитель и второй светоделитель, оптически связанный с первым светоделителем через измеряемый слой. Со вторым светоделителем оптически связаны: модулятор оптического пути, выполненный в виде глухого зеркала, эталонная пластина с известной толщиной и показателем преломления, и фотодетектор. Источник света и первый светоделитель ориентированы относительно измеряемого слоя таким образом, что свет падает на измеряемый слой под прямым углом. Излучение источника света при отражении от измеряемого слоя делится на две части, каждая из которых в свою очередь делится на три части в интерферометре, образованном вторым светоделителем, модулятором оптического пути и эталонной пластиной. Таким образом, в данном устройстве смешиваются и интерферируют шесть волн, образуя весьма сложную интерференционную картину, из анализа которой находится искомое произведение показателя преломления и толщины измеряемого слоя.

Поскольку свет падает на измеряемый слой под прямым углом, пути лучей, отраженных от передней и задней поверхностей измеряемого слоя, совпадают, вследствие чего нестационарность и неоднородность среды между первым светоделителем и измеряемым слоем не оказывают влияния на работу устройства: фазовые набеги, приобретаемые обеими волнами на пути от измеряемого слоя до первого светоделителя, всегда одинаковы. Таким образом, в прототипе устраняется один из основных недостатков аналога: влияние оптических свойств окружающей измеряемый слой среды на точность измерений.

Основным недостатком прототипа является недостаточная точность измерений физических констант прозрачных слоев в случаях, когда условия в зоне измерений являются неблагоприятными для работы прецизионных измерительных устройств. Этот недостаток обусловлен двумя причинами. Одна из них связана с тем, что измеряемый слой должен находиться в пределах прямой видимости первого светоделителя, т.е. на расстоянии не более нескольких метров от него. Если измеряемый слой находится в условиях высокой или низкой температуры, вибраций, электромагнитных помех или других неблагоприятных факторов, измерительное устройство будет в полной мере подвергаться действию этих факторов. Это может ухудшить работу устройства или сделать ее невозможной. Вторая причина заключается в том, что световая мощность распределяется между большим числом (шестью) интерферирующими волнами, в результате чего снижается контрастность наблюдаемой интерференционной картины, что также может привести к уменьшению точности измерений.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности интерферометрического устройства для измерения физических параметров прозрачных слоев в условиях, когда измеряемый слой или окружающая его среда находятся под воздействием высокой или низкой температуры, вибраций, акустических шумов, сильных электрических и магнитных полей, или других факторов, затрудняющих работу прецизионных измерительных устройств.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемое интерферометрическое устройство для измерения физических параметров прозрачных слоев, так же, как и устройство-прототип, содержит источник света, светоделитель, модулятор оптического пути и фотодетектор, входящий в систему регистрации выходного сигнала.

Новым в первом варианте конструкции предлагаемого устройства является то, что модулятор оптического пути, выполненный в виде полупрозрачной пластины, установлен непосредственно за источником света, между модулятором оптического пути и светоделителем дополнительно введено подвижное полупрозрачное зеркало, выполненное с возможностью перемещения вдоль направления распространения отражаемого им света и снабженное датчиком положения, входящим в систему регистрации выходного сигнала, а между светоделителем и измеряемым слоем расположен отрезок оптического волокна, конец которого, оптически связанный с измеряемым слоем, ориентирован таким образом, что отраженный от измеряемого слоя свет направляется обратно в упомянутый отрезок оптического волокна.

Новым во втором варианте конструкции предлагаемого устройства является то, что между источником света и первым светоделителем дополнительно введен второй светоделитель, оптически связанный с упомянутым модулятором оптического пути и с дополнительно введенным подвижным зеркалом, выполненным с возможностью перемещения вдоль направления распространения отражаемого им света и снабженным датчиком положения, входящим в систему регистрации выходного сигнала, а между первым светоделителем и измеряемым слоем расположен отрезок оптического волокна, конец которого, оптически связанный с измеряемым слоем, ориентирован таким образом, что отраженный от измеряемого слоя свет направляется обратно в упомянутый отрезок оптического волокна.

В частном случае использования второго варианта конструкции предлагаемого устройства, когда материал измеряемого слоя обладает заметной частотной дисперсией, для увеличения точности измерения физических параметров прозрачных слоев целесообразно ввести во второй вариант конструкции устройства компенсационный клин, выполненный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению распространения света, и изготовленный из материала, близкого по оптическим свойствам к материалу измеряемого слоя.

В частном случае реализации устройства по п. 1 или п.2 в систему регистрации выходного сигнала могут быть введены: селективный усилитель, электрически связанный с фотодетектором, синхронный детектор, первый вход которого электрически связан с селективным усилителем, генератор модулирующего сигнала, электрически связанный с модулятором оптического пути и со вторым входом синхронного детектора, схема управления механизмом перемещения, электрически связанная с выходом синхронного детектора, и механизм перемещения подвижного зеркала, электрически связанный со схемой управления механизмом перемещения.

На фиг. 1 представлена блок-схема первого варианта конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п. 1 формулы изобретения.

На фиг. 2 представлена блок-схема второго варианта конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.2 формулы изобретения.

На фиг. 3 представлена блок-схема второго варианта конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.3 формулы изобретения.

На фиг. 4 представлена блок-схема одного из вариантов предлагаемого устройства, соответствующего п.4 формулы изобретения.

На фиг. 5 представлены осциллограмма разности хода интерферирующих волн и осциллограмма фототока, вырабатываемого фотодетектором в процессе измерения физических параметров прозрачного слоя.

Конструкция первого варианта устройства (см. фиг. 1) содержит расположенные последовательно, оптически связанные источник света 1, модулятор оптического пути 2, изготовленный в виде полупрозрачного зеркала, выполненного с возможностью совершать колебания вдоль направления распространения отражаемого им света, подвижное зеркало 3, выполненное с возможностью перемещения вдоль направления распространения отражаемого им света и снабженное датчиком положения 4, светоделитель 5, отрезок оптического волокна 6, измеряемый слой 7, а также систему регистрации полезного сигнала, включающую фотодетектор 8, оптически связанный со светоделителем 5. Модулятор оптического пути 2 ориентирован так, что направление распространения света при отражении от него изменяется на противоположное. Зеркало 3 ориентировано так, что направление распространения света при отражении от него изменяется на противоположное. Отрезок оптического волокна 6 ориентирован так, что выходящий из него световой луч после отражения от поверхностей измеряемого слоя 7 направляется обратно в отрезок оптического волокна 6. Поверхности измеряемого слоя 7 должны быть настолько плоскими и параллельными друг другу, чтобы лучи, отраженные от передней и задней поверхностей, не разделялись в пространстве. Полезным сигналом устройства, равным произведению толщины и показателя преломления измеряемого слоя 7, является отсчет датчика положения 4.

В качестве источника света 1 может быть использован суперлюминесцентный диод, светодиод, или любой другой излучатель, продольная длина когерентности которого сравнима с длиной волны излучаемого им света.

Модулятор оптического пути 2 изготовлен в виде полупрозрачного зеркала с непараллельными гранями, выполненного с возможностью совершать колебания в направлении распространения отражаемого им света. На грань, обращенную к источнику света 1, целесообразно нанести просветляющее покрытие.

Зеркало 3 выполнено полупрозрачным, с непараллельными гранями, на одну из которых (ту, что обращена к светоделителю 5) целесообразно нанести просветляющее покрытие.

В качестве датчика положения 4 могут быть использованы в зависимости от требуемой точности измерений механический микрометр, линейка с фотошаблоном, эталонный оптический интерферометр или любое другое устройство, позволяющее измерять расстояние между модулятором оптического пути 2 и подвижным зеркалом 3.

Светоделитель 5 выполняется с коэффициентом деления, равным 1.

Отрезок оптического волокна 6 может быть выполнен из многомодового волокна. Его концы могут быть снабжены линзами для ввода и вывода оптического излучения. В том случае, если конец отрезка оптического волокна не может быть приближен к измеряемому слою 7 на расстояние меньше или порядка диаметра сердечника волокна, умноженного на его числовую апертуру (для многомодового волокна это расстояние составляет 100 - 200 мкм), использование линзы становится обязательным. При этом линзу целесообразно размещать так, чтобы она фокусировала выходящий из отрезка оптического волокна 6 свет на измеряемом слое 7.

Измеряемый слой 7 должен быть полностью или частично прозрачным для используемого света, так, чтобы волны, отраженные от его передней и задней поверхностей, были сопоставимы по интенсивности.

Более высокой предельной точностью обладает второй вариант конструкции устройства (см. фиг. 2), который содержит дополнительно введенный второй светоделитель 9, выполненный с коэффициентом деления, равным 1, и установленный между источником света 1 и первым светоделителем 5. Модулятор оптического пути 2 и подвижное зеркало 3 размещены в плечах упомянутого второго светоделителя 9 и ориентированы таким образом, чтобы направление распространения света при отражении от них изменялось на противоположное. При этом модулятор оптического пути 2 и подвижное зеркало 3 целесообразно выполнить в виде глухих зеркал.

Для повышения точности измерения физических параметров прозрачных слоев, материал которых обладает заметной частотной дисперсией, между вторым светоделителем 9 и подвижным зеркалом 3 целесообразно ввести компенсационный клин 10 (см. фиг. 4), выполненный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению распространения света, и изготовленный из материала, близкого по оптическим свойствам к материалу измеряемого слоя 7. Во избежание потерь света в результате отражения от граней клина их целесообразно просветлить.

В частном случае реализации устройства по п.1 или п.2 (см. фиг. 4) в систему регистрации могут быть введены: селективный усилитель 11, электрически связанный с фотодетектором 8, синхронный детектор 12, первый вход которого электрически связан с выходом селективного усилителя 11, генератор модулирующего сигнала 13, электрически связанный с модулятором оптического пути 2 и со вторым входом синхронного детектора 12, схема управления 14 механизмом перемещения, электрически связанная с выходом синхронного детектора 11, и механизм перемещения 15 подвижного зеркала 3, электрически связанный со схемой управления 13 механизмом перемещения.

Первый вариант конструкции устройства работает следующим образом (см. фиг. 1). Источник света 1 излучает немонохроматический свет с центральной длиной волны λ₀ и с продольной длиной когерентности l_c. Благодаря тому, что модулятор оптического пути 2 выполнен в виде полупрозрачного зеркала, излучение от источника света 1 частично проходит сквозь него и попадает на подвижное зеркало 3. Благодаря тому, что подвижное зеркало 3 выполнено полупрозрачным, оно расщепляет падающее на него излучение на две волны, одна из которых проходит сквозь подвижное зеркало 3 и попадает на светоделитель 5, а другая отражается от него, возвращается к модулятору оптического пути 2, отражается от него, вновь возвращается к подвижному зеркалу 3, проходит сквозь него и также попадает на светоделитель 5. Таким образом, благодаря тому, что модулятор оптического пути 2 и подвижное зеркало 3 установлены и ориентированы так, как указано в п.1 формулы изобретения, излучение, приходящее на светоделитель 5 от источника света 1, представляет собой сумму двух волн, разность хода между которыми равна удвоенному расстоянию между модулятором оптического пути 2 и подвижным зеркалом 3. Через светоделитель 5 и отрезок оптического волокна 6 эти волны попадают на измеряемый слой 7. Благодаря тому, что между светоделителем 5 и измеряемым слоем 7 введен отрезок оптического волокна 6, ориентированный так, как указано в формуле изобретения, светоделитель 5 и измеряемый слой 7 оказываются оптически связанными даже в том случае, если они находятся вне пределов прямой видимости друг друга. За счет этого измерительный блок, содержащий прецизионные оптические и механические элементы, в том числе источник света 1, модулятор оптического пути 2, подвижное зеркало 3, механизм перемещения 15 подвижного зеркала 3, датчик положения 4, светоделитель 5, фотодетектор 8 и электронные схемы, может быть удален от измеряемого слоя 7 на расстояние до 1- 2 км и таким образом надежно изолирован от неблагоприятных воздействий среды, окружающей измеряемый слой, таких, как высокая или низкая температура, акустические шумы и вибрации, электрические и магнитные поля и т.д.

Падающее на измеряемый слой 7 излучение отражается от его поверхностей, при этом каждая из двух падающих волн расщепляется на две отраженных волны, а именно на волну, отраженную от передней поверхности измеряемого слоя 7, и на волну, отраженную от его задней поверхности. Таким образом, отраженное от измеряемого слоя 7 излучение представляет собой сумму четырех волн. Благодаря тому, что конец волоконно-оптического кабеля 6 ориентирован относительно измеряемого слоя 7 так, как указано в формуле изобретения, отраженные от измеряемого слоя 7 волны возвращаются в волоконно-оптический кабель 6, проходят по нему и через светоделитель 5 попадают на фотодетектор 8.

Таким образом, на фотодетекторе 8 смешиваются четыре волны: (i) волна, прошедшая через модулятор оптического пути 2 и подвижное зеркало 3 без отражений и отразившаяся от передней поверхности измеряемого слоя 7; (ii) волна, прошедшая через модулятор разности хода 2 и подвижное зеркало 3 без отражений и отразившаяся от задней поверхности измеряемого слоя 7; (iii) волна, испытавшая одно отражение от подвижного зеркала 3, и отразившаяся от передней поверхности измеряемого слоя 7; (iv) волна, испытавшая одно отражение от подвижного зеркала 3 и задней поверхности измеряемого слоя 7. Оптические длины путей, пройденных этими волнами, записываются следующим образом: L₁=L₀; L₂=L₀+2l(t); где L₀ - оптическая длина общего для всех четырех волн пути, включающего в себя путь от источника света 1 до передней плоскости измеряемого слоя 7 и от передней плоскости измеряемого слоя 7 до фотодетектора 8; n₀ - показатель преломления измеряемого слоя 7 на центральной длине волны λ₀ источника света 1, d - толщина измеряемого слоя 7; l(t) - расстояние между модулятором оптического пути 2 и подвижным зеркалом 3, которое включает в себя постоянную часть l₀, измеряемую датчиком положения 4, и модулированную часть l_M(t) l(t)=l₀+l_M(t) (5) Волны (i) - (iv) интерферируют только в том случае, если |L_i-L_j| < l_c, (6) где l_c - продольная длина когерентности источника света 1. В наиболее простом и практически важном случае "толстого" слоя, когда l_c<nd; (7)
l_c<l(t), (8)
условие (6) может быть соблюдено только для волн (ii) и (iii). В том случае, если это условие выполняется, в плоскости фотодетектора 8 наблюдается интерференционная картина в виде концентрических темных и светлых полос, расположение и контрастность которых зависят от разности хода

При достаточно малой апертуре фотодетектора 8 периодическое движение интерференционных полос, вызванное модуляцией ΔL(t), приводит к колебаниям освещенности на фотодетекторе 8 I_out и к соответствующим колебаниям вырабатываемого им фототока j(t) (см. фиг. 3):

где R_2,3 - коэффициенты отражения модулятора оптического пути 2 и зеркала 3, Γ(|ΔL|) - огибающая функции когерентности источника света 1, - значок пропорциональности.

В том случае, если поправками, связанными с дисперсией, можно пренебречь, полагая
ΔL = 2(n₀d-l₀)-2l_M(t), (11)
функция I_out(t) = I_out (ΔL) является четной относительно ΔL. Если выходной сигнал устройства - отсчет датчика положения 4l₀ - совпадает с искомым произведением толщины измеряемого слоя 7d и его показателя преломления n₀, нечетные гармоники частоты модуляции в Фурье-спектре фототока (10) отсутствуют. Наличие нечетных гармоник указывает на то, что l₀ ≠ n₀d. этом случае подвижное зеркало 3 перемещается вдоль направления распространения отражаемого им света до тех пор, пока равенство l₀ = n₀d не будет восстановлено. Таким образом, благодаря тому, что подвижное зеркало 3 выполнено с возможностью перемещения вдоль направления отражаемого им света, выходной сигнал устройства поддерживается равным произведению толщины и показателя преломления измеряемого слоя 7.

Более высокая предельная точность измерений может быть достигнута во втором варианте конструкции устройства, описанном в п.2 формулы изобретения (см. фиг. 2). Этот вариант конструкции устройства работает следующим образом. Излучение от источника света 1 попадает на второй светоделитель 9 и расщепляется им на две волны равной амплитуды, одна из которых направляется на модулятор оптического пути 2, а вторая - на подвижное зеркало 3. Так как модулятор оптического пути 2 и подвижное зеркало 3 выполнены в виде глухих зеркал и установлены так, что при отражении от них направление распространения света изменяется на противоположное, после отражения от них волны вновь соединяются на втором светоделителе 9, имея при этом разность хода
l(t)=2(l₂(t)-l₃)=2l₀+2l_M(t),
где l₂ - оптический путь от второго светоделителя 9 до модулятора оптического пути 3, l₃ - оптический путь от второго светоделителя 9 до подвижного зеркала 3. Излучение со второго светоделителя 9 направляется на первый светоделитель 5, и далее все происходит так же, как в варианте по п.1, однако благодаря тому, что волны, падающие на измеряемый слой 7, имеют равную амплитуду, выражение для фототока, вырабатываемого фотодетектором 8 в процессе измерений, несколько отличается от выражения (10):

Контрастность K интерференционной картины, т.е. отношение интенсивности в самом высоком максимуме к интенсивности в самом глубоком минимуме
K ≡ 3 (14)
то время как в варианте по п.1

Таким образом, контрастность интерференционной картины, а следовательно, и предельная точность измерений, в варианте по п.2 выше, чем в варианте по п.1. Это связано с тем, что волны, падающие на измеряемый слой 7, в варианте по п. 2 имеют равную амплитуду, в то время как в варианте по п.1 волна, прошедшая более длинный путь, всегда слабее.

В том случае, если материал измеряемого слоя обладает заметной частотной дисперсией, так что (11) уже нельзя считать справедливым, целесообразно ввести между вторым светоделителем 9 и подвижным зеркалом 3 компенсационный клин 10, выполненный и изготовленный так, как описано в п.3 формулы изобретения (см. фиг. 3). В этом случае

где n^c - показатель преломления компенсационного клина, n₀^c - показатель преломления компенсационного клина на центральной частоте λ₀ источника света 1, d_c - длина пути, проходимого лучом света внутри клина. Благодаря тому, что компенсационный клин выполнен с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению распространения света, d может быть сделана приблизительно равной d_c, а благодаря тому, что он изготовлен из материала, близкого по оптическим свойствам к материалу измеряемого слоя, может быть обеспечено равенство

Тем самым ошибка измерений, связанная с дисперсией, может быть значительно уменьшена.

В частном случае реализации устройства (см. фиг. 4), когда в систему регистрации введены селективный усилитель 11, синхронный детектор 12, генератор модулирующего сигнала 13, схема управления 14 механизмом перемещения и механизм перемещения 15 подвижного зеркала 3, измерение параметров измеряемого слоя 7 осуществляется следующим образом. Генератор модулирующего сигнала 13 вырабатывает управляющее напряжение для модулятора оптического пути 2, форма которого подбирается таким образом, чтобы модулированная часть l_M(t) расстояния между модулятором 2 оптического пути и подвижным зеркалом 3 имела вид симметричной пилы, амплитуда которой превышает длину когерентности источника света 1 (фиг. 5). Фототок j(t), вырабатываемый фотодетектором 8 в процессе измерений (его вид показан на фиг. 5), поступает на селективный усилитель 11, настроенный на частоту интерференционных колебаний фототока

где l_M - амплитуда модуляции оптического пути, f_M - частота модуляции. Выходной сигнал селективного усилителя 11, пропорциональный огибающей интерференционных колебаний освещенности на фотодетекторе 8, поступает на вход синхронного детектора 12, который выделяет из него первую гармонику частоты модуляции f_M. Выходной сигнал синхронного детектора 12, пропорциональный этой первой гармонике, поступает на схему управления 14 механизмом перемещения 15. Как уже указывалось выше, наличие первой гармоники в Фурье-спектре фототока указывает на то, что выходной сигнал устройства l₀ не равен измеряемой величине n₀d. В том случае, если выходной сигнал синхронного детектора 12 превышает некоторое пороговое значение, определяемое требуемой точностью измерений, схема управления 14 механизмом перемещения вырабатывает команду на перемещение подвижного зеркала 3, исполняемую механизмом перемещения 15 подвижного зеркала. Таким образом равенство выходного сигнала l₀ устройства и измеряемой величины n₀d поддерживается с заданной точностью.

Точность измерений n₀d определяется точностью датчика положения 4. Фундаментальный предел точности измерений определяется дробовым шумом источника света 1 и составляет сотые и тысячные доли λ. Диапазон измерений ограничен лишь диапазоном датчика положения 4.

Устройство позволяет измерять не только толщину и показатель преломления, но и определяющие их физические параметры, например температуру. Для этого в качестве измеряемого слоя 7 следует использовать пластину с известными зависимостями n и d от измеряемого параметра.

В конкретной реализации устройства в качестве источника света используется суперлюминесцентный диод ЛМ2-850 производства НИИ "Волга", г. Саратов, имеющий центральную длину волны λ = 0.83 мкм, продольную длину когерентности l_c ≈ 30 мкм, и мощность 0.7 мВт, в качестве модулятора оптического пути используется зеркало, закрепленное на электромагнитной динамической головке 3ГД-38Е, в качестве датчика положения используется линейка с фотошаблоном, имеющая цифровой выход и обеспечивающая точность определения положения подвижного зеркала до 5 мкм, отрезок оптического волокна выполнен из стандартного многомодового волокна с диаметром сердечника 50 мкм и имеет длину 100 м, его концы снабжены линзами. Измеряемый слой 7 размещается в перетяжке светового пучка, выходящего из отрезка оптического волокна 6, на расстоянии 15 см от него. В качестве фотодетектора используется фотодиод ФД-24К, в качестве механизма перемещения подвижного зеркала используется шаговый двигатель ДШИ- 200 с шагом в 0.9^o, соединенный с микрометрическим винтом с шагом резьбы 1 мм. Для модуляции оптического пути применяется напряжение, имеющее форму симметричной пилы с частотой 18 Гц. Амплитуда модуляции оптического пути достигает 0.4 мм. Устройство обеспечивает непрерывное (во времени) измерение толщины ленты стекла в диапазоне от 0 до 2 см при температуре в зоне измерений 0 - 500^oC с точностью до 5 мкм.

Формула изобретения

1. Интерферометрическое устройство для измерения физических параметров прозрачных слоев, содержащее источник света, светоделитель, модулятор оптического пути и фотодетектор, входящий в систему регистрации выходного сигнала, отличающееся тем, что модулятор оптического пути, выполненный в виде полупрозрачной пластины, установлен непосредственно за источником света, между модулятором оптического пути и светоделителем дополнительно введено подвижное полупрозрачное зеркало, выполненное с возможностью перемещения вдоль направления распространения отражаемого им света и снабженное датчиком положения, входящим в систему регистрации выходного сигнала, а между светоделителем и измеряемым слоем расположен отрезок оптического волокна, конец которого, оптически связанный с измеряемым слоем, ориентирован так, что отраженный от измеряемого слоя свет направляется обратно в упомянутый отрезок оптического волокна.

2. Интерферометрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что в систему регистрации выходного сигнала введены селективный усилитель, электрически связанный с фотодетектором, синхронный детектор, первый вход которого электрически связан с селективным усилителем, генератор модулирующего сигнала, электрически связанный с модулятором оптического пути и с вторым входом синхронного детектора, схема управления механизмом перемещения, электрически связанная с выходом синхронного детектора, и механизм перемещения подвижного зеркала, электрически связанный со схемой управления механизмом перемещения.

3. Интерферометрическое устройство для измерения физических параметров прозрачных слоев, содержащее источник света, первый светоделитель, модулятор оптического пути и фотодетектор, входящий в систему регистрации выходного сигнала, отличающееся тем, что между источником света и первым светоделителем дополнительно введен второй светоделитель, оптически связанный с упомянутым модулятором оптического пути и с дополнительно введенным подвижным зеркалом, выполненным с возможностью перемещения вдоль направления распространения отражаемого им света и снабженным датчиком положения, входящим в систему регистрации выходного сигнала, а между первым светоделителем и измеряемым слоем расположен отрезок оптического волокна, конец которого оптически связанный с измеряемым слоем, ориентирован так, что отраженный от измеряемого слоя свет направляется обратно в упомянутый отрезок оптического волокна.

4. Интерферометрическое устройство по п.3, отличающееся тем, что между вторым светоделителем и подвижным зеркалом введен компенсационный клин, выполненный с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном направлению распространения света, и изготовленный из материала, близкого по оптическим свойствам к материалу измеряемого слоя.

5. Интерферометрическое устройство по п.4, отличающееся тем, что в систему регистрации выходного сигнала введены селективный усилитель, электрически связанный с фотодетектором, синхронный детектор, первый вход которого электрически связан с селективным усилителем, генератор модулирующего сигнала, электрически связанный с модулятором оптического пути и с вторым входом синхронного детектора, схема управления механизмом перемещения, электрически связанная с выходом синхронного детектора, и механизм перемещения подвижного зеркала, электрически связанный со схемой управления механизмом перемещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5