УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ
MEASURING DEVICE OF GEOMETRIC PARAMETERS OF OBJECTS

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерений толщины тонких пленок и покрытий, прозрачных для излучения в ближней инфракрасной области спектра, например в диапазоне длин волн 1300-1600 нанометров [1].
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения геометрических параметров объектов [2], содержащее интерферометр Майкельсона с источником монохроматического когерентного излучения (МКИ) 1.
Указанный интерферометр Майкельсона включает в себя первое полупрозрачное зеркало 6, установленное на выходе интерферометра (выполняющее функции и светоделителя, и сумматора, поступающих на него излучений), неподвижное отражающее зеркало интерферометра 8 и второе полупрозрачное зеркало интерферометра 7, направляющее образованные в интерферометре совмещенные интерферирующие лучи в индикатор интерференционной картины (ИИК) 11 и в счетчик интерференционных полос (СИП) 12.
Устройство [2] содержит также предметный стол 13, установленный в измерительной ветви интерферометра, источник инфракрасного излучения (ИКИ) 2, а также узел совмещения излучений (УСИ) 3, в который вводят излучения из 1 и 2. Устройство также содержит четыре линейных поляризатора, два из которых (4 и 5) ортогонально поляризованы и установлены: один - между МКИ 1 и УСИ 3, другой - между ИКИ 2 и УСИ 3. Совмещенное излучение, образованное в 3, с выхода 3 направлено на первое полупрозрачное зеркало интерферометра 6, выполняющее для этого излучения (поступающего от 3) функцию светоделителя, направляющего разделенные уже в нем два луча - один луч (прошедший через первое полупрозрачное зеркало 6) на отражающее зеркало интерферометра (8), а второй луч, отраженный от первого полупрозрачного зеркала 6 интерферометра, на исследуемый объект, представляющий собой покрытие 14, нанесенное на основание, и расположенный на предметном столе 13. Отраженные от 8 и 14 лучи поступают (возвращаются) на первое полупрозрачное зеркало 6 и совмещаются в этом полупрозрачном зеркале интерферометра. Это совмещенное излучение поступает на второе полупрозрачное зеркало интерферометра 7, которое тоже является светоделителем. Этот светоделитель 7 делит на два луча поступающее на него от первого полупрозрачного зеркала 6 совмещенное излучение. Эти разделенные два луча направляют: один (несущий информацию, связанную с ИКИ) на вход индикатора интерференционной картины ИИК 11, предварительно пропуская этот луч через один линейный поляризатор 9, установленный между вторым полупрозрачным зеркалом 7 и входом ИИК 11. А второй луч (несущий информацию, связанную с МКИ) направляют на вход счетчика интерференционных полос (СИП) 12, предварительно пропуская этот луч через второй линейный поляризатор 10, установленный между вторым полупрозрачным зеркалом 7 и входом 12. Эти поляризаторы тоже ортогонально ориентированы, как и линейные поляризаторы первой пары (4 и 5), и таким образом обеспечивают прохождение соответствующих лучей на ИИК и на СИП.
Толщину покрытия определяют по числу интерференционных полос МКИ, соответствующих перемещению вдоль хода лучей объекта при последовательном наведении ахроматической интерференционной полосы ИКИ на поверхность покрытия и на границу раздела покрытия с основанием.
Недостаток известного устройства [2] заключается в том, что реализованный в этом устройстве интерференционный метод измерения толщины покрытий счетом интерференционных полос МКИ не позволяет дальнейшее существенное повышение точности измерения (исчерпав возможности методов лазерной интерферометрии перемещений). Кроме того, это устройство характеризуется трудностью настройки и поддержания механической устойчивости от воздействия внешних влияющих величин (вибрация, температура, влажность, освещение и т.п.), присущих конструкциям, основанным и построенным на пространственной оптике.
Цель изобретения - повышение точности измерения толщины покрытий и устойчивости от воздействия внешних влияющих величин.
Достижение цели обеспечивается тем, что в предлагаемом устройстве реализован частотно-интерференционный способ измерения толщины покрытия, согласно которому: наведение на поверхность покрытия и на границу раздела покрытия с основанием производят с помощью интерференции ИКИ (так же, как в прототипе), а измерение толщины производят, в отличие от прототипа, частотным способом, обеспечивающим более высокую разрешающую способность и точность измерений. Кроме того, оптическая схема предлагаемого устройства построена на основе волоконной оптики [3, 4], что обеспечит более высокую устойчивость предлагаемого устройства от воздействия внешних влияющих величин и упрощение настройки устройства.
Предлагаемое устройство для измерения геометрических параметров объектов (показано на чертеже) содержит интерферометр Майкельсона с источником МКИ 1, предметный стол 13, установленный в измерительной ветви интерферометра, источник ИКИ 2, а к выходу 2 волоконно-оптически подсоединен вход волоконно-оптического разветвителя-сумматора 15, который имеет один вход и два выхода и который включен как разветвитель. К одному из двух выходов волоконно-оптического разветвителя 15 соединен вход волоконно-оптического выключателя 16, выход которого через световодный кабель связан с розеткой 17 волоконно-оптического разъемного соединителя и который (через розетку 17) обеспечивает ввод ИКИ 2 в частотный блок (точнее - блок генератора-формирователя импульсов света).
Второй выход 15 соединен через линейный поляризатор 5 с первым входом разветвителя-сумматора 3, который включен как сумматор УСИ двух входящих в него излучений. Второй вход 3 связан с МКИ через последовательно волоконно-оптически соединенные линейный поляризатор 4 и коллиматор-фокусер 18.
Выход разветвителя-сумматора 3 соединен с входом волоконно-оптического выключателя 19, с выхода которого через волоконно-оптически последовательно соединенные волоконно-оптический изолятор 20 и волоконно-оптический коллиматор-фокусер 21 с полупрозрачным зеркалом 6, которое уже делит это поступающее на него излучение на два луча: луч, прошедший через зеркало 6, и луч, отраженный от зеркала 6.
Прошедший через светоделитель 6 луч направлен на отражающее неподвижное зеркало 8 интерферометра, а отраженный от светоделителя 6 луч направлен на покрытие объекта контроля 14. Для этого этот луч пропускают через последовательно соединенные коллиматор-рефокусер 22, волоконно-оптический выключатель 23, первый входной световод 24 разветвителя-сумматора 25 и далее через последовательно соединенные выходной световод 26 разветвителя-сумматора 25 и коллиматор-рефокусер 27.
Отраженное от покрытия 14 излучение обратно направлено через коллиматор-рефокусер 27 во входной световод 26 разветвителя 25. Один из разделенных в 25 лучей, отраженного от покрытия 14 излучения, направлен через первый (в данном случае первый выходной) световод 24 и последовательно с ним включенные волоконно-оптический выключатель 23 и коллиматор-рефокусер 22 на последовательно установленные по ходу этого луча полупрозрачные зеркала 6 и 7.
Этот отраженный от покрытия 14 луч и отраженный от зеркала 8 луч совмещают на полупрозрачном зеркале 6 и направляют на вход полупрозрачного зеркала 7 для создания на его выходе интерференционной картины, используемой для выполнения действий по интерференционному наведению коллиматора-рефокусера 27 последовательно на поверхность измеряемого объекта (покрытия) и на границу раздела покрытия с основанием.
Разветвитель лучей 25 (включенный в обратном направлении как разветвитель) через второй выходной световод 28 и через последовательно соединенный с ним волоконно-оптический выключатель 29 и волоконно-оптическую розетку 30 связан с входом разветвителя-сумматора 31 (включенный как разветвитель и имеющий два выхода).
Один из двух выходных световодов разветвителя 31 соединен с входом разветвителя 32 (имеющего тоже два выхода). Второй из двух выходных световодов разветвителя 31 соединен с выходом волоконно-оптического изолятора 33, установленного в контуре генератора-формирователя импульсов.
Отметим, что волоконно-оптический изолятор (исходя из его принципа работы) не пропускает лазерное излучение в обратном направлении, поэтому излучение, отраженное от покрытия 14 и прошедшее далее через волоконно-оптический выключатель 29 с волоконно-оптической розеткой 30 и разветвитель-сумматор 31, не проходит далее в схему через 33 (включенный в обратном направлении для этого отраженного от покрытия 14 излучения). А излучение, введенное из розетки 30 в разветвитель-сумматор 31, пройдя через второй выходной световод разветвителя-сумматора 31, вводится дальше в схему устройства только через разветвитель 32.
Учтем, что вход изолятора 33 соединен (через линейный поляризатор 34) с выходом разветвитель-сумматора 35, который включен в режиме сумматора входящих в него излучений. При таком включении изолятор 33 пропускает через себя поступающее излучение из ИКИ от 35 и далее через последовательно с его выходом соединенные первый выходной световод 31, вход которого соединен с розеткой 30, и далее через нее и выключатель 29, разветвитель-сумматор 25 и коллиматор-рефокусер 27 это излучение поступает на покрытие измеряемого объекта 14.
Обратим внимание и на то, что разветвитель-сумматор 35 является узлом, в котором совмещаются лучи с ортогональными циркулярными поляризациями для последующего «поляризационного гашения», на котором основано формирование импульсов света в предлагаемом устройстве (об этом формировании кратко будет сказано ниже). Указанный разветвитель-сумматор 35 обеспечивает ввод непрерывного излучения ИКИ в контур генератора-формирователя импульсов предлагаемого устройства. Совмещенное в этом разветвителе-сумматоре 35 излучение поступает на вход линейного поляризатора 34, установленного на выходе разветвителя-сумматора 35, и в этом поляризаторе 34 осуществляется периодическое оптическое «поляризационное гашение», обеспечивающее формирование импульсов генератора.
На входы разветвителя-сумматора 35, имеющего два входа, вводят излучения следующим образом. На первый вход вводят излучение от ИКИ через волоконно-оптический выключатель 16 и розетку 17, и далее через волоконно-оптически последовательно соединенные волоконно-оптический регулируемый аттенюатор 36, линейный поляризатор 37 и четвертьволновую поляризационную пластинку 38.
Такое соединение позволяет получить на ее выходе (после четвертьволновой пластинки 38) излучение с циркулярной поляризацией (для определенности допустим, левоциркулярной).
На второй вход 35 вводят излучение из первого выхода разветвителя 32 через волоконно-оптически последовательно соединенные волоконно-оптический усилитель 39, работающий в диапазоне длин волн 1300-1600 нанометров, но с центральной длиной волны порядка 1550 нанометров, и далее через волоконно-оптический выключатель 40, волоконно-оптический регулируемый аттенюатор 41, линейный поляризатор 42, полуволновую поляризационную пластинку 43 и четвертьволновую поляризационную пластинку 44. Такое соединение позволяет получить на ее выходе (после четвертьволновой пластинки) излучение тоже с циркулярной поляризацией, но уже в этом случае правоциркулярной).
Второй выход разветвителя 32 соединен через фотоприемник 45 со входом компаратора частот 46, соединенного с синтезатором частот 47, который связан с эталоном частоты 48.
Такая схема позволяет определить толщину измеряемого объекта по результатам измерений двух частот импульсов, формируемых в генераторе-формирователе при наведениях выходного излучения из коллиматор-рефокусера 27 последовательно на поверхность покрытия 14 и на границу раздела покрытия с основанием путем сравнения этих частот (используя компаратор частот 46) с частотами сигналов синтезатора частот 47, синхронизированного от эталона частоты 48.
Поясним основы примененного в устройстве частотного метода измерений.
Частотный метод измерения геометрических параметров объектов, в данном случае толщины покрытия, реализуемый в предлагаемом устройстве, основан на измерениях изменений частоты импульсов света, формирование которых (импульсов) основано на эффекте поляризационного оптического «гашения» в генераторе (точнее формирователе) импульсов света.
Генератор построен на регулируемом по оптической длине (или, что практически то же самое  по интервалу времени прохождения светом) замкнутом контуре оптической задержки, в которую входит когерентное излучение монохроматического инфракрасного света ИКИ при наведении указанного излучения из этой задержки на точки, ограничивающие эти размеры (в данном случае - измеряемой толщины покрытия) объекта [5]. При этом измеряемый объект должен быть одним из элементов этого замкнутого контура, включенным в указанный замкнутый контур последовательно с другими элементами контура. Для включения измеряемого объекта в такой контур и создания требуемого замкнутого контура оптической задержки этого генератора импульсов используют указанный выше разветвитель-сумматор 31. Повторяя вышеизложенное, в один из входов 31 (второй вход) вводят излучение ИКИ через последовательно соединенные волоконно-оптический выключатель 16 и розетку 17 и далее - через волоконно-оптически последовательно включенные волоконно-оптический регулируемый аттенюатор 36, линейный поляризатор 37, четвертьволновую поляризационную пластинку 38. Это излучение проходит последовательно далее через первый вход разветвитель-сумматора 35, линейный поляризатор 34, волоконно-оптический изолятор 33 (в его прямом направлении) и входит во второй вход разветвитель-сумматора 31. А прошедшее через этот разветвитель-сумматор 31 излучение ИКИ входит через волоконно-оптическую розетку 30, волоконно-оптический выключатель 29, второй входной световод 28 разветвителя-сумматора 25, последовательно соединенный с ним коллиматор-рефокусер 27 на измеряемый объект 14.
Замкнутый контур генератора образуется отраженным от измеряемого объекта излучением ИКИ, последовательно проходящим в обратном направлении через выход коллиматора-рефокусера 27, вход разветвителя-сумматора 25, его второй входной световод 28, последовательно соединенный через волоконно-оптический выключатель 29 и волоконно-оптическую розетку соединителя 30, со входом волоконно-оптического разветвителя 31 и далее через второй выходной световод разветвителя 31 и волоконно-оптический разветвитель 32 (через его входной световод). Это излучение из первого выхода разветвителя 32 вводят во второй вход 35 через волоконно-оптически последовательно соединенные волоконно-оптический усилитель 39, включенный волоконно-оптический выключатель 40, волоконно-оптический регулируемый аттенюатор 41, линейный поляризатор 42, полуволновую поляризационную пластинку 43 и четвертьволновую поляризационную пластинку 44. А после прохождения всех этих элементов это излучение вводят в сумматор излучений 35 через второй вход этого сумматора-разветвителя 35 (включенного как сумматор излучений). Перечисленными соединениями передаваемого излучения с выхода 35 образуется замкнутый контур оптической задержки (замыкающийся на выходном световоде сумматора 35) генератора-формирователя импульсов света предлагаемого устройства.
Формирование импульсов в замкнутом контуре генератора предлагаемого устройства основано на использовании известного из оптики эффекта поляризационного гашения света светом, который можно объяснить следующим образом. При совмещении двух равных по интенсивности циркулярно-поляризованных потоков монохроматического света, но с противоположными круговыми поляризациями, суммарное излучение становится линейно поляризованным. Если это совмещенно образованное (но уже линейно-поляризованное) излучение пропустить через линейный поляризатор, плоскость поляризации которого сориентирована перпендикулярно плоскости линейной поляризации этого совмещенного линейно-поляризованного излучения, то этот установленный по ходу совмещенного луча линейный поляризатор (на приведенной схеме устройства эту функцию выполняет линейный поляризатор 34) не пропустит через себя это совмещенное излучение.
Дополнительно отметим, что выравнивание по интенсивности совмещаемых в разветвителе 35 излучений производят аттенюаторами 36 и 41, установленными во входных цепях разветвителя-сумматора 35. После совмещения входящих в него лучей, проходящее через него совмещенное излучение «гасится» при прохождении линейного поляризатора 34, и это «гашение» продолжается до тех пор, пока продолжается в замкнутой задержке распространение излучений, вошедших, прошедших и совмещенных в 35.
С момента возникновения «гашения» в указанном замкнутом контуре, со скоростью света в контуре начинает «распространяться темнота» («освобождаться» от света, заполнившего контур задержки, определяемая этим гашением). С момента «окончания» этой «темноты», поступающей через второй вход сумматора 35 и далее на линейный поляризатор 34, контур генератора снова начинает заполняться излучением из ИКИ через розетку 17.
Для того чтобы этот процесс периодически повторялся, необходимо осуществить замыкание контура задержки, т.е. создать замкнутый контур. После прохождения излучения через линейный поляризатор 34 «замыкание» контура задержки осуществляют вводом выходного излучения из 34 через волоконно-оптический изолятор 33 в один из входных (точнее - первый выходной световод) разветвителя-сумматора 31 (световоды разветвителей-сумматоров пропускают через себя излучение в обоих направлениях из-за независимости распространения в них оптических излучений).
Отметим, что в схеме предлагаемого устройства длительность сформированного импульса света (длительность распространения в замкнутом контуре задержки) излучения, исходящего из ИКИ 2, и длительность распространения «темноты», образованной в результате «поляризационного гашения», равны между собой. Это объясняется тем, что после того, как излучение, прошедшее последовательно через 31, розетку 30, волоконно-оптический выключатель 29, второй входной световод 28 разветвителя-сумматора 25 и коллиматор-рефокусер 27, наводят на измеряемый объект - покрытие (или на границу раздела), отраженное от этого объекта излучение проходит этот же контур задержки, который был описан выше.
Так образуется замкнутый контур, одним из элементов которого является измеряемый объект (толщина покрытия), связанный последовательно с одним из выходов разветвителя-сумматора 31, включенного в режиме разветвителя и соединенного через розетку 30 с выключателем 29, и через него с разветвителем-сумматором 25, коллиматором-рефокусером 27 и далее с покрытием 14.
Розетка 17, в которую входит выходной соединитель волоконно-оптического выключателя 16 и через которую излучение ИКИ вводят в замкнутый контур генератора, связана с входом разветвителя-сумматора 35 (включенного в режиме сумматора), выход которого (35) через линейный поляризатор 34 и волоконно-оптический изолятор 33 соединен с входом сумматора-разветвителя 31 (включенного в этом случае как сумматор входных излучений) и через него с волоконно-оптической розеткой 30.
Назначение изолятора 33 состоит в обеспечении защиты ИКИ от случайного повреждения какого-либо элемента схемы в случае, например, выхода из строя какого-либо элемента в частотном блоке и в результате этого попадания на ИКИ, отраженного в каком-либо элементе этого блока излучения, с длиной волны, совпадающей с длиной волны излучения ИКИ.
Устройство работает  следующим образом:
A) Включены выключатели 19 и 23, выключены выключатели 29, 16, 40.
В этом режиме устройство работает как прототип - осуществляется интерференционное наведение ИКИ на поверхность покрытия.
Б) Выключены выключатели 19 и 23, включены выключатели 29, 16 и 40.
В этом режиме устройство работает как волоконно-оптический генератор импульсов света и частотомер - определяется частота F1, соответствующая этому интерференционному наведению на поверхность покрытия.
B) Включены выключатели 19 и 23, выключены выключатели 29, 16 и 40.
В этом режиме устройство работает как прототип - осуществляется интерференционное наведение ИКИ на границу раздела покрытия с основанием.
Г) Выключены выключатели 19 и 23, включены выключатели 29, 16 и 40.
В этом режиме устройство работает как волоконно-оптический генератор импульсов света и частотомер - определяются частота F2, соответствующая этому интерференционному наведению на границу раздела покрытия с основанием.
Толщина покрытия h рассчитывается по формуле [5]: h=с(F2-F1)/2nF1F2, где c - скорость света, n - коэффициент преломления среды.
-15
Поскольку измерения частоты в настоящее время являются самыми точными измерениями (порядка 10) из всех физических величин, то по предварительным оценкам в предлагаемом устройстве возможно существенное, по сравнению с прототипом, повышение точности измерений толщины покрытий и тонких пленок с разрешающей способностью порядка 0,001-0,004 нм [5].
Отметим, что в работе предлагаемого нового устройства в процессе измерения толщины покрытия не принимает участие оптическая схема, связанная с интерференцией источника МКИ, однако ее целесообразно сохранить, чтобы использовать при необходимости проверки наличия грубых погрешностей либо для проведения измерений, не требующих особо высокую чувствительность и точность.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет проводить измерения толщины покрытий двумя способами: интерференционным (как в прототипе), и частотно-интерференционным (как в предлагаемом устройстве).
Источники информации
1. Л.С. Бабаджанов, М.Л. Бабаджанова. Метрологическое обеспечение измерений толщины покрытий. Теория и практика. - М.: ИПК ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2004.
2. Л.С. Бабаджанов, А.Г. Данелян, А.П. Оксанич, И.И. Скаковский. Авторское свидетельство №725500, кл. G01B 11/06, 1978. Устройство для измерения геометрических параметров объектов.
3. Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы. Сборник статей / С.А. Дмитриев, Н.Н. Слепов. - 3-е изд. - М.: Техносфера, 2010. - 608 с.
4. Лиокумович Л.Б. Волоконно-оптические интерферометрические измерения. Ч. 1. Волоконно-оптические интерферометры - С.-Петербург: Изд.-во Полиитехн. ун-та, 2007. - 110 с.
5. А.Г. Данелян, Д.И. Гарибашвили, Р.Р. Канкия, С.А. Мкртычан, С.В. Шоташвили «О некоторых возможностях улучшения метрологической прослеживаемости линейных измерений в нанометровом диапазоне / Измерительная техника №11, 2009.