Устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов Российский патент 2020 года по МПК G01N21/45 G01B9/02 G01M11/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для трехмерного анализа показателя преломления материала с помощью оптических средств на основе интерферометрии, и может быть использовано для томографического контроля образцов оптических изделий: оптических волокон и их заготовок, градиентных линз, различных изделий оптики и микроэлектроники, в том числе полученных методом аддитивных технологий из полимерных и прочих прозрачных материалов. Устройство позволяет выявлять наличие внутренних дефектов в исследуемых изделиях, как правило, характеризуемых неоднородностью материала, обусловленного локальным изменением показателя преломления. Такие дефекты влияют на качество изображения, формируемого с помощью данных оптических изделий, и передаваемых оптических сигналов. По этой причине важно контролировать неоднородности материала линз, и прочих оптических элементов.

Из уровня техники известна голографическая установка для томографии, в которой происходит вращение исследуемого образца с одновременным освещением его с двух ракурсов (см. Kostencka, J., Kozacki, Т., М. (2017). Holographic tomography with object rotation and two-directional off-axis illumination. Optics Express, 25(20), 23920. doi:10.1364/oe.25.023920). Известный метод, в отличие от традиционных одноракурсных, повышает пространственное разрешение измерения показателя преломления и позволяет компенсировать ошибки, связанные с расфокусировкой в связи со смещением оси вращения и оси образца. Таким образом, в данном устройстве сочетаются преимущества двух методов: вращения образца и его двухракурсного освещения.

Из уровня техники известна установка, в которой используется схема двулучевого интерферометра Маха - Цендера и устройство для вращения образца в кювете (см. Yunseong Jeon, Yunseong Jeon, Chung-Ki Hong, Chung-Ki Hong, "Rotation error correction by numerical focus adjustment in tomographic phase microscopy," Optical Engineering 48(10), 105801 (1 October 2009). https://doi.org/10.1117/1.3242833).

Из уровня техники также известна установка для измерения волнового фронта пучков света, основанная на интерферометре Маха - Цендера с применением наклонной пластины (см. CN1270159C, кл. G01B 9/02, опубл. 16.08.2006). Данная установка применяется для высокоточного определения длины волны полупроводниковых лазеров.

Вышеописанные устройства и методы, как правило, имеют один измерительный канал и реализуют лишь прямую схему измерений. Это позволяет исследовать образцы, имеющие равномерное или плавное изменение показателя преломления. Однако для таких образцов как градиентная линза, в которой показатель преломления в сечении имеет резкие изменения (большой градиент), данные методы не подходят. Для этого должен быть использован относительный метод измерения.

Из уровня техники известны способ спектрометрического исследования показателя преломления образца при помощи сравнения разностного сигнала с заранее заданным, путем изменения фазы между измерительным и опорным пучком, а также соответствующее устройство, которое имеет два измерительных канала, расположенных в разных плечах интерферометра Маха-Цендера (см. публикацию WO 2019018870 A1, кл. G01N 21/45, опубл. 31.01.2019). Однако, в процессе измерений алгоритмы реконструкции фазы не используются и, соответственно, не восстанавливается пространственное распределение фазы. Данная схема используется для определения интегрального показателя преломления прозрачных веществ и не подходит для определения пространственного распределения показателя преломления (ПРПП) в исследуемом объеме.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов, содержащее источник когерентного освещения, интерферометр Маха - Цендера с входным светоделителем, формирующим опорный и измерительный каналы, и фазосдвигающим блоком, систему регистрации и блок установки тестового образца, расположенный в измерительном канале и содержащий кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством (см. патент JPH08304229A, кл. G01N 21/41, опубл. 22.11.1996). Известное устройство предназначено для измерения распределения показателя преломления оптических элементов и позволяет минимизировать влияние изменения параметров окружающей среды, таких как температура и др. Кювета описанного устройства содержит полую часть для размещения контролируемого оптического элемента, в которую помещается иммерсионный раствор, имеющий тот же показатель преломления (или близкий), что и показатель преломления измеряемого образца. При измерении распределения показателя преломления тестовый образец поворачивается вокруг оси, перпендикулярной оптической оси детектирования. Реконструкция ПРПП осуществляется известным методом компьютерной томографии. Основным недостатком известного устройства, как и вышеописанных одноканальных устройств, является невозможность его использования для образцов с резким изменением показателя преломления.

Технической проблемой является устранение вышеуказанных недостатков и создание универсального устройства, которое позволяет исследовать образцы с большим градиентом показателя преломления (например, градиентное оптическое волокно), контролировать прозрачные изделия как вдоль оптической оси (срезы), так и поперек (томографический режим), а также минимизировать влияние внешних факторов (например, температуры) на результаты высокоточных измерений. Технический результат заключается в увеличении точности и диапазона измерений. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов, содержащее источник когерентного освещения, интерферометр Маха-Цендера с входным светоделителем, формирующим опорный и измерительный каналы, и фазосдвигающим блоком, систему регистрации и блок установки тестового образца, расположенный в измерительном канале и содержащий кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством, снабжен блоком установки эталонного образца, расположенным в опорном канале и содержащим кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством. Фазосдвигающий блок предпочтительно выполнен в виде подвижного зеркала, зафиксированного на пьезоэлементе. Блок установки тестового образца и блок установки эталонного образца могут быть снабжены держателями срезов с проходным окном и оснащены устройствами перемещения, обеспечивающими возможность попеременной установки кюветы или проходного окна держателя на оптической оси соответствующего канала. Предлагаемое устройство может быть снабжено дополнительным сдвижным измерительным блоком, расположенным между источником когерентного освещения и входным светоделителем и содержащим кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством, причем в опорном канале расположена поворотная плоскопараллельная пластина, ось вращения которой перпендикулярна оптической оси опорного канала.

На фиг. 1 представлена конфигурация устройства для томографии тестового образца в кювете с иммерсионной жидкостью;

на фиг. 2 - конфигурация для высокоточного измерения показателя преломления тонкого среза образца в держателе срезов;

на фиг. 3 - конфигурация для томографии тестового образца в режиме сравнения с самим собой (сдвиговый режим).

Предлагаемое устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов содержит источник 1 когерентного освещения и интерферометр Маха-Цендера с входным светоделителем 2, формирующим опорный и измерительный каналы, фазосдвигающим блоком в виде подвижного зеркала 3 на пьезоэлементе, выходным светоделителем 4 и поворотным зеркалом 5. Интерферограммы получают с помощью системы регистрации, включающей фокусирующую линзу 6 и видеокамеру 7. В качестве светоделителей 2, 4 может быть использован кубик или плоскопараллельная пластина с отражающим покрытием.

В измерительном канале расположен блок 8 установки тестового образца, содержащий поворотное устройство 9 в виде шагового двигателя для установки и вращения протяженного образца 10 и прозрачную кювету 11 с иммерсионной жидкостью (раствором) 12. В этом же боке 8 может быть установлен держатель 13 срезов с проходным окном. При этом блок 8 оснащен устройством перемещения, обеспечивающим возможность попеременной установки кюветы 11 или проходного окна держателя 13 на оптической оси измерительного канала.

В опорном канале расположена поворотная плоскопараллельная пластина 14, ось вращения которой перпендикулярна оптической оси этого канала. При установке перпендикулярно оптической оси пластина 14 не вносит изменений в геометрию измерений. В сдвиговом режиме сравнения с самим собой пластина 14 устанавливается под углом к оптической оси, при этом используют дополнительный сдвижной измерительный блок 15, расположенный между источником 1 когерентного освещения и входным светоделителем 2. Блок 15 также содержит кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством.

Кроме того, в опорном канале расположен блок 16 установки эталонного протяженного образца 17, аналогично содержащий поворотное устройство и прозрачную кювету с иммерсионной жидкостью. В блоке 16 может быть установлен держатель 18 эталонных срезов с проходным окном. При этом блок 16 оснащен устройством перемещения, обеспечивающим возможность попеременной установки кюветы или проходного окна держателя 18 на оптической оси измерительного канала.

Использование схемы Маха-Цендера позволяет выполнять абсолютные и относительные измерения как вдоль оптической оси образца, так и поперек нее. Предложенная конструкция позволяет проводить измерения в следующих режимах:

I Абсолютные измерения:

1) Вдоль оптической оси (срезы);

2) Поперек оптической оси (томографический режим);

II Относительные измерения (сравнение с эталоном):

1) Вдоль оптической оси (срезы);

2) Поперек оптической оси (томографический режим);

III Относительные измерения (сравнение с самим собой, сдвиговый режим):

1) Вдоль оптической оси (срезы);

2) Поперек оптической оси (томографический режим).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Излучение источника 1 и попадает на светоделитель 2, который делит его на два пучка. В оптической схеме может использоваться расширитель пучка. Один пучок отражается от подвижного зеркала 3, проходит через блок 8 установки тестового образца и попадает на второй светоделитель 4. Второй пучок проходит через плоскопараллельную пластину 14, блок 16 установки эталонного образца, отражается от зеркала 5 и попадает на светоделитель 4. После светоделителя 4 оба пучка проходят через линзу 6 и попадают на матрицу видеокамеры 7, которая регистрирует их интерференционную картину. Линза 6 строит изображение объекта на матрице видеокамеры 7, поэтому блоки 8 и 16 отстоят на одинаковом расстоянии от светоделителя 4, так что L1=L2. Каждый из двух блоков 8, 16 представляет собой подвижный столик, который может перемещаться в направлении поперек пучка света. Столик позволяет крепить как сами образцы 10, 17, так и их срезы 13, 18.

В основе работы установки лежит автоматическая расшифровка интерферограмм по методу фазовых шагов, реализуемому по набору интерферограмм с различным фазовым сдвигом. Устройство позволяет измерять пространственное распределение показателя преломления (ПРПП) исследуемых изделий вдоль и поперек оптической оси. В первом случае излучение проходит вдоль оси изделий, толщина которых заранее известна. С помощью метода фазовых шагов измеряется оптическая разность хода (ОРХ) излучения, которая затем нормируется на толщину изделия и восстанавливается ПРПП вдоль оси. В этом режиме исследуются срезы волокон, их заготовок и градиентных линз. Во втором случае излучение проходит поперек оси, и с помощью метода фазовых шагов измеряется ОРХ под определенным углом. В томографии это называется проекцией. Далее изделие поворачивается на заданный угол и измерение повторяется. По набору проекций, полученных в угловом диапазоне от 0 до 180 градусов с помощью алгоритма томографической реконструкции восстанавливается ПРПП поперек оси (в сечении). В этом случае нет необходимости разрушать исследуемое изделие для того, чтобы определить ПРПП в его сечении.

Устройство позволяет осуществлять как абсолютные, так и относительные измерения. В первом случае волновой фронт излучения, прошедшего через тестовый образец, сравнивается с плоским опорным волновым фронтом. В этом режиме исследуются образцы с постоянным или плавным изменением показателя преломления. Во втором случае волновой фронт излучения, прошедшего через тестовый образец, сравнивается с эталонным волновым фронтом, формируемым с помощью эталонного образца, расположенного в опорном канале. Это позволяет уменьшить градиент волнового фронта, обусловленного показателем преломления тестового образца, за счет вычитания из него эталонного волнового фронта. Также устройство позволяет проводить относительные измерения в режиме сравнения волнового фронта, прошедшего через тестовый образец, со сдвинутой копией самого себя - сдвиговый режим. В этом режиме образец находится перед интерферометром, который делит исходный волновой фронт на два, один из которых также имеет поперечный сдвиг. В этом случае восстанавливается не ОРХ, а производная от нее. Относительные измерения позволяют исследовать образцы, имеющие большой градиент показателя преломления.

Ниже показаны варианты работы установки в режиме относительных измерений.

На фиг. 1 изображена конфигурация устройства для томографии тестового образца 10. В данной конфигурации волновой фронт, прошедший через образец 10, сравнивается с эталонным волновым фронтом, образуемым за счет эталонного образца 17. При этом плоскопараллельная пластина 14 устанавливается перпендикулярно падающему на нее пучку, а дополнительный измерительный блок 15 выдвинут из зоны распространения света.

На фиг. 2 изображена конфигурация устройства для высокоточного измерения показателя преломления тонкого среза 13 тестового образца. В данной конфигурации распределение показателя преломления среза 13 тестового образца сравнивается со срезом 18 эталонного образца. При этом плоскопараллельная пластина 14 устанавливается перпендикулярно падающему на нее пучку. Дополнительный измерительный блок 15 выдвинут из зоны распространения света.

На фиг. 3 изображена конфигурация устройства для томографии тестового образца в режиме сравнения с самим собой (сдвиговый режим). При этом для создания сдвига одного волнового фронта относительно другого плоскопараллельная пластина 14 поворачивается на небольшой угол относительно вертикальной оси. Дополнительный измерительный блок 15 сдвинут в зону распространения света перед светоделителем 2.

Таким образом, предложенная конструкция позволяет проводить высокоточные измерения в широком диапазоне и исследовать различные образцы, в том числе, с большим градиентом показателя преломления вдоль и поперек их оптической оси, а также минимизировать влияние внешних факторов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для трехмерного анализа показателя преломления материала с помощью оптических средств на основе интерферометрии, и может быть использовано для томографического контроля образцов оптических изделий: оптических волокон и их заготовок, градиентных линз, различных изделий оптики и микроэлектроники в том числе полученных методом аддитивных технологий из полимерных и прочих прозрачных материалов. Устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов содержит источник когерентного освещения, интерферометр Маха-Цендера, систему регистрации и блок установки тестового образца. Интерферометр снабжен входным фазосдвигающим блоком и светоделителем, формирующим опорный и измерительный каналы. Блок установки тестового образца расположен в измерительном канале и содержит кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством. Устройство также снабжено аналогичным блоком установки эталонного образца, расположенным в опорном канале и содержащим кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством. Изобретение позволяет увеличить точность и диапазон измерений. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство измерения распределения показателя преломления прозрачных образцов, содержащее источник когерентного освещения, интерферометр Маха-Цендера с входным светоделителем, формирующим опорный и измерительный каналы, и фазосдвигающим блоком, систему регистрации и блок установки тестового образца, расположенный в измерительном канале и содержащий кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством, отличающееся тем, что снабжен блоком установки эталонного образца, расположенным в опорном канале и содержащим кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фазосдвигающий блок выполнен в виде подвижного зеркала, зафиксированного на пьезоэлементе.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок установки тестового образца и блок установки эталонного образца снабжены держателями срезов с проходным окном и оснащены устройствами перемещения, обеспечивающими возможность попеременной установки кюветы или проходного окна держателя на оптической оси соответствующего канала.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что снабжено дополнительным сдвижным измерительным блоком, расположенным между источником когерентного освещения и входным светоделителем и содержащим кювету с иммерсионной жидкостью и поворотным устройством, причем в опорном канале расположена поворотная плоскопараллельная пластина, ось вращения которой перпендикулярна оптической оси опорного канала.