Интерферометрическое устройство для измерения оптической толщины прозрачного слоя или зазора

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения оптической толщины слоев прозрачных материалов и зазоров между плоскопараллельными поверхностями элементов, один из которых должен быть прозрачным. Устройство содержит источник света, линию задержки и фотоприемник. Между источником света и измеряемым объектом установлен поляризатор света. Перед фотоприемником установлен анализатор. Линия задержки выполнена в виде фазовой пластинки, разность фаз нормальных волн которой может перестраиваться. Фазовая пластинка установлена так, что плоскость поляризации ее нормальных волн составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора. Анализатор и фотоприемник выполнены с возможностью визуализации и регистрации интерференционной картины, предназначенной для определения оптической толщины измеряемого объекта. Технический результат - повышение точности и чувствительности измерений оптической толщины. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим интерферометрам, и может быть использовано для бесконтактного измерения оптической толщины слоев прозрачных материалов и зазоров между плоскопараллельными поверхностями элементов, по меньшей мере, один из которых должен быть прозрачным. В частности устройство может быть использовано для регистрации толщины стекол и полимерных пленок, мониторинга процессов травления и напыления, регистрации температуры, давления и виброакустических колебаний, а также в качестве рефрактометра и фототермического детектора для жидкостной хроматографии и капиллярного электрофореза. Во всех этих процессах требуется очень высокая точность и чувствительность измерений вплоть до сотых долей ангстрема, поскольку именно эти параметры являются определяющими и во многом задают уровень и возможности технологии.

Известно устройство, применяемое, в частности, для измерения температуры, основанное на регистрации изменений интерференционной картины, создаваемой зондирующим светом, отраженным от противоположных граней термометрического слоя (Патент Японии JP 61246602, М. кл³. G01B 9/02; G01H 9/00, публикация 01.11.1986). Устройство содержит источник поляризованного света, связанный с помощью оптического делителя с двумя отрезками оптического волокна. Один из отрезков доставляет свет к термометрическому слою и возвращает проинтерферировавший в указанном слое свет обратно к делителю. Второй отрезок соединяет делитель и фотоприемник, регистрирующий изменения интерференционной картины.

Основным недостатком устройства является необходимость использовать источник света с большой длиной когерентности, значительно превышающей оптическую длину термометрического слоя для того, чтобы лучи света, отраженные от противоположных граней вышеуказанного слоя, могли интерферировать между собой. Большая длина когерентности приводит к тому, что наряду с "полезным" светом, отраженным от противоположных граней термометрического слоя, в образовании интерференционной картины принимает участие и свет, отраженный от неоднородностей внутри оптического волокна и от сварных швов в оптическом делителе. Все это существенно усложняет интерференционную картину, особенно в условиях нестационарной температуры окружающей среды, и ограничивает точность и чувствительность измерений.

Именно по этой причине (чтобы избежать появления дополнительных поверхностей, отражающих свет) термометрический слой в данном устройстве вплотную прижат к концу оптического волокна. Однако такая конструкция оказывается непригодной в том случае, когда в зоне измерений недопустимо присутствие подводящего оптического волокна, и термометрический слой приходится располагать на большом расстоянии от подводящего волокна. Кроме того, данное устройство позволяет регистрировать только изменения оптической толщины термометрического слоя и не пригодно для определения абсолютных величин.

Недостатки аналога частично преодолены в интерферометрическом устройстве для измерения физических констант прозрачных слоев (патент РФ RU 2141621, М. кл³. G01B 11/06; G01N 21/45, публикация 20.11.1999 г.), которое содержит расположенные последовательно, оптически связанные источник низкокогерентного света, линию оптической задержки, выполненную в разных вариантах в виде интерферометра Фабри-Перо или интерферометра Майкельсона, делитель оптического излучения, отрезок оптического волокна, доставляющий оптическое излучение к измеряемому слою и возвращающий это оптическое излучение обратно на делитель и фотодетектор. Поскольку длина когерентности источника света, используемого в данном устройстве, мала, интерференционная картина возникает в плоскости фотодетектора только в случае совпадения фазовой задержки между лучами света, отраженными от противоположных граней измеряемого слоя, с фазовой задержкой, возникающей в вышеупомянутой линии оптической задержки. Измеряя оптическую длину линии задержки, можно определить не только изменения оптической длины измеряемого слоя, но и его абсолютную оптическую длину. Благодаря тому, что свет, отраженный как от неоднородностей внутри оптического волокна, так и от поверхностей других оптических элементов, не принимает участия в формировании интерференционной картины, прототип пригоден для проведения полностью бесконтактных измерений.

Основным недостатком прототипа является его недостаточная чувствительность, связанная с нестабильностью оптической линии задержки, выполненной в разных вариантах в виде интерферометра Фабри-Перо или интерферометра Майкельсона. Один из способов частичного преодоления этого недостатка состоит в использовании различных схем динамической подстройки положения одного из зеркал, образующих вышеуказанный интерферометр, как это делается в современных Фурье-спектрометрах высокого разрешения. Такое решение существенно усложняет конструкцию устройства и увеличивает его стоимость, а также сильно ограничивает его частотный диапазон, но не позволяет решить задачу полностью.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение чувствительности интерферометрического устройства для измерения оптической толщины прозрачного слоя или оптической толщины зазора между плоскопараллельными поверхностями элементов, один из которых является прозрачным.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что предлагаемое интерферометрическое устройство для измерения оптической толщины прозрачного слоя или оптической толщины зазора между плоскопараллельными поверхностями элементов, по меньшей мере, один из которых является прозрачным, так же, как и устройство-прототип, содержит источник света, линию задержки и фотоприемник, входящий в систему регистрации выходного сигнала, при этом измеряемый объект установлен таким образом, что свет, отраженный от обеих его поверхностей, направляется через элементы устройства на фотоприемник.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что между источником света и измеряемым объектом установлен поляризатор света, перед фотоприемником установлен анализатор, направление оси которого совпадает или ортогонально направлению оси поляризатора, а линия задержки выполнена в виде фазовой пластинки, разность фаз нормальных волн которой может перестраиваться, и установлена так, что плоскость поляризации ее нормальных волн составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора.

В первом частном случае реализации предлагаемого устройства согласно п.2 формулы изобретения оптическая связь между поляризатором и измеряемым объектом, а также между измеряемым объектом и линией задержки осуществляется по отрезкам оптического волокна, сохраняющего поляризацию, установленным так, что направление оптических осей этих волокон совпадает с направлением оптической оси поляризатора.

Во втором частном случае реализации предлагаемого устройства согласно п.3 формулы изобретения оптическая связь между поляризатором, измеряемым объектом и линией задержки, осуществляется с помощью последовательно установленных светоделителя и отрезка оптического волокна, сохраняющего поляризацию и установленного так, что направление оптической оси волокна совпадает с направлением оптической оси поляризатора.

В третьем частном случае реализации предлагаемого устройства согласно п.4 формулы изобретения перед анализатором дополнительно установлены оптически связанные неполяризующий светоделитель, фазовая четвертьволновая пластинка, направление оптических осей которой совпадает с направлением оптических осей линии задержки, второй анализатор, направление оси которого совпадает с направлением оси первого анализатора, и второй фотоприемник.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства в общем случае его выполнения, соответствующего п.1 формулы изобретения.

На фиг.2 представлена блок-схема 1-го частного случая конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 представлена блок-схема 2-го частного случая конструкции предлагаемого устройства, соответствующего п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 представлена блок-схема 3-го частного случая предлагаемого устройства, соответствующего п.4 формулы изобретения.

На фиг.5 представлена блок-схема включения дифференциальных фотоприемников с поляризующим делителем в качестве анализатора.

Конструкция устройства (см. фиг.1) содержит расположенные последовательно, оптически связанные источник света 1, поляризатор света 2, оптически связанный с измеряемым объектом 3 так, что свет, отраженный от обеих поверхностей измеряемого объекта, направляется на линию задержки 4, которая выполнена в виде фазовой пластинки, разность фаз нормальных волн которой может перестраиваться, и установлена так, что плоскость поляризации ее нормальных волн составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора 2, анализатор 5, направление оси которого совпадает или ортогонально направлению оси поляризатора 2, и фотоприемник 6. При этом поверхности измеряемого объекта 3 должны быть настолько плоскими и параллельными друг другу, чтобы лучи, отраженные от передней и задней поверхностей, не разделялись в пространстве.

В частном случае использования интерферометрического устройства, когда измеряемый объект 3 находится в труднодоступном месте, целесообразно использовать конструкции, содержащие отрезки оптического волокна и соответствующие п.2 или п.3 формулы изобретения (см. соответственно фиг.2 или фиг.3).

Согласно п.2 формулы изобретения оптическая связь между поляризатором 2 и измеряемым объектом 3 и измеряемым объектом 3 и линией задержки 4 осуществляется по двум отрезкам оптического волокна 7, 8, установленным так, что направление оптической оси этих волокон 7, 8 совпадает с направлением оптической оси поляризатора 2. Концы отрезков оптических волокон 7, 8 могут быть снабжены линзами для ввода и вывода оптического излучения. В случае, когда концы отрезка оптического волокна не могут быть приближены к измеряемому объекту 4 на расстояние меньше или порядка диаметра сердечника волокна, умноженного на его числовую апертуру, использование линз становится обязательным. При этом линзы целесообразно размещать так, чтобы измеряемый объект 3 находился в области фокусировки света, выходящего из отрезка оптического волокна 7.

Согласно п.3 формулы изобретения оптическая связь между поляризатором 2, измеряемым объектом 3 и линией задержки 4 осуществляется с помощью последовательно установленных светоделителя 9 и отрезка оптического волокна 10, сохраняющего поляризацию и установленного так, что направление оптической оси волокна 10 совпадает с направлением оптической оси поляризатора 2 (см. фиг.3).

Во избежание потери точности при измерениях вблизи экстремумов интерференционной картины в схему интерферометрического устройства целесообразно ввести квадратурный канал (см. фиг.4). Для этого в интерферометрическое устройство перед анализатором 5 дополнительно установлены оптически связанные неполяризующий светоделитель 11, фазовая четвертьволновая пластинка 12, направление оптических осей которой совпадает с направлением оптических осей линии задержки 4, второй анализатор 13, направление оси которого совпадает с направлением оси первого анализатора 5, и второй фотоприемник 14. Коэффициент деления неполяризующего светоделителя 11 удобно выбрать равным 1:1.

Во избежание потерь света, а также для подавления избыточных шумов источника света и увеличения, таким образом, чувствительности измерений, вместо фотоприемника 6 и анализатора 5 целесообразно использовать дифференциальные фотоприемники 16, 17 с поляризующим делителем 15 в качестве анализатора (см. фиг.5). Поляризующий делитель 15 делит падающее на него излучение на два выходных пучка с взаимно ортогональными линейными поляризациями, одна из которых совпадает, а другая перпендикулярна направлению оси поляризатора 2. Выходные пучки направляются на дифференциальные фотоприемники 16, 17, электрически связанные с разными входами дифференциального усилителя 18, на выходе которого формируется сигнал, несущий информацию об оптической толщине измеряемого объекта 3.

В качестве источника света 1 может быть использован суперлюминесцентный диод, светодиод, или любой другой излучатель, продольная длина когерентности которого существенно меньше толщины измеряемого объекта 3.

В качестве линии задержки 4 может использоваться стандартный компенсатор Солейля-Бабине или электрически перестраиваемая фазовая пластинка на основе жидких кристаллов, а также отрезок одномодового анизотропного оптического волокна, разность фаз нормальных волн в котором можно перестраивать за счет механических напряжений. Оптическое волокно в этом случае удобно намотать на пластину или цилиндр из пьезоэлектрического материала, который изменяет свои геометрические размеры под действием приложенного электрического напряжения, вызывая, таким образом, механические напряжения в указанном волокне.

В качестве поляризатора 2 и анализаторов 5, 13 могут использоваться любые виды поляризаторов: пленочные и волоконно-оптические поляризаторы, поляризационные призмы и делители.

В качестве поляризующего делителя 15 можно использовать поляризационную призму Волластона или Рошона, диэлектрические поляризующие покрытия, а также волоконно-оптический поляризационно-чувствительный делитель.

В качестве волокна, сохраняющего поляризацию 7, 8, 10, может использоваться любое двулучепреломляющее волокно с такой длиной волны отсечки, чтобы распространяющийся по нему свет оставался одномодовым.

В случае реализации предлагаемого устройства согласно п.3 формулы изобретения (фиг.3), во избежание потерь света в качестве светоделителя 9 целесообразно использовать циркулятор, который пропускает весь свет, идущий от источника 1 к измеряемому объекту 3, а свет, идущий в обратном направлении, полностью отражает в сторону фотоприемников 6.

Измеряемый объект 3 должен быть полностью или частично прозрачным для используемого света. В том случае, когда измеряемым объектом 3 является зазор, образованный поверхностями двух элементов, ближайший к источнику света 1 элемент должен быть прозрачным.

Разработанное устройство в общем случае его реализации согласно п.1 формулы изобретения работает следующим образом (см. фиг.1). Источник света 1 излучает свет, длина когерентности которого не превышает оптическую толщину образца 3. Проходя через поляризатор 2, свет приобретает линейную поляризацию. Далее свет направляется на измеряемый объект 3 и частично отражается от его первой и второй поверхностей. Отраженное от измеряемого объекта 3 излучение, представляющее собой сумму двух волн I и II, задержанных относительно друг друга на удвоенную оптическую толщину измеряемого объекта 3, направляется на линию задержки 4, выполненную согласно п.1 формулы изобретения. В результате того, что плоскость поляризации нормальных волн линии задержки 4 составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора 2, при прохождении линии задержки 4 каждая из двух волн I и II распадается на две волны с равной интенсивностью Ie, Io и IIe, IIo. Причем волны Ie и IIe имеют фазовую скорость Ve и одинаковую поляризацию, волны Io и IIo имеют фазовую скорость Vo и поляризацию, ортогональную волнам Ie и IIe. Таким образом, на выходе линии задержки 4 формируются четыре волны, фазовая задержка Δф между двумя из которых Io и IIe может изменяться в зависимости от длины d линии задержки 4:

где ω - круговая частота света.

При совпадении величины фазовой задержки Δф, возникающей в линии задержки 4, с величиной фазовой задержки, возникающей при двойном проходе света через измеряемый объект 3, в плоскости фотоприемника 6 возникает интерференционная картина, для визуализации и регистрации которой используется анализатор 5 и фотоприемник 6. Зная величину фазовой задержки Δф, возникающей в линии задержки 4, и анализируя изменения интерференционной картины, регистрируемые фотоприемником 6, можно определить как оптическую толщину измеряемого объекта 3, так и ее колебания.

Благодаря тому, что все элементы конструкции могут быть закреплены жестко и их взаимное смещение или наклон не приводят к изменению фазовой задержки, предлагаемая схема обладает высокой невосприимчивостью к воздействию окружающей среды и, как следствие, минимальным уровнем шумов и максимальной чувствительностью. Наблюдаемая высокая стабильность интерференционной картины позволяет проводить измерения оптической толщины не по положению цуга интерференционных полос как целого, как это делается в прототипе, а по положению точки перехода интерференционной картины через ноль внутри отдельной интерференционной полосы. В результате, если заявленная чувствительность прототипа составляет 5 мкм, чувствительность предлагаемого устройства достигает 0,1 нм, что позволяет решить поставленную задачу.

В том случае, когда измеряемый объект находится в труднодоступном месте, целесообразно использовать один из частных случаев реализации конструкции устройства, соответствующий п.2 или п.3 формулы изобретения. В обоих случаях устройство работает аналогично первому случаю, за исключением того, что оптическая связь с измеряемым объектом 3 осуществляется по оптическому волокну 7, 8 или 10, а не по открытому пространству.

Во избежание потери точности при измерениях вблизи экстремумов интерференционной картины в схему интерференционного устройства целесообразно ввести квадратурный канал (см. фиг.4), согласно п.4 формулы изобретения. В этом случае устройство работает аналогично первому случаю, за исключением того, что часть света, прошедшего через линию задержки 4, ответвляется светоделителем 11 и, пройдя через фазовую четвертьволновую пластинку 12, приобретает дополнительную фазовую задержку в π/2. Таким образом, интерференционная картина в плоскости второго фотоприемника 14 оказывается сдвинутой на π/2 относительно интерференционной картины, формирующейся в плоскости первого фотоприемника 6. В результате, если первый фотоприемник 6 будет находиться в максимуме или минимуме интерференционной картины и демонстрировать минимальную чувствительность к изменениям оптической толщины измеряемого объекта 3, то второй фотоприемник 14 будет находиться на склоне интерференционной картины в области максимальной чувствительности к этим изменениям. Одновременная обработка сигналов обоих фотоприемников 6 и 14 позволяет сохранять максимальную чувствительность и точность измерений во всем диапазоне оптических толщин измеряемого объекта 3.

1. Интерферометрическое устройство для измерения оптической толщины прозрачного слоя или зазора, содержащее источник света, длина когерентности которого не превышает оптическую толщину измеряемого объекта, линию задержки и фотоприемник, отличающееся тем, что между источником света и измеряемым объектом установлен поляризатор света, перед фотоприемником установлен анализатор, направление оси которого совпадает или ортогонально направлению оси поляризатора, а линия задержки выполнена в виде фазовой пластинки, разность фаз нормальных волн которой может перестраиваться, и установлена так, что плоскость поляризации ее нормальных волн составляет угол 45° относительно направления оси поляризатора, при этом анализатор и фотоприемник выполнены с возможностью визуализации и регистрации интерференционной картины, предназначенной для определения оптической толщины измеряемого объекта.

2. Интерферометрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая связь между поляризатором и измеряемым объектом, а также между измеряемым объектом и линией задержки осуществляется по отрезкам оптического волокна, сохраняющего поляризацию, установленным так, что направление оптических осей этих волокон совпадает с направлением оптической оси поляризатора.

3. Интерферометрическое устройство по п.1, отличающееся тем, что оптическая связь между поляризатором, измеряемым объектом и линией задержки осуществляется с помощью последовательно установленных светоделителя и отрезка оптического волокна, сохраняющего поляризацию и установленого так, что направление оптической оси волокна совпадает с направлением оптической оси поляризатора.

4. Интерферометрическое устройство по п.1 или 2, или 3, отличающееся тем, что перед анализатором дополнительно установлены оптически связанные неполяризующий светоделитель, фазовая четвертьволновая пластинка, направление оптических осей которой совпадает с направлением оптических осей линии задержки, второй анализатор, направление оси которого совпадает с направлением оси первого анализатора, и второй фотоприемник.