оптический способ измерения толщины прозрачных объектов

Формула изобретения

Оптический способ измерения толщины прозрачных объектов, включающий формирование лазерного излучения, направляемое с помощью зеркала на объект измерения, отличающийся тем, что диффузное отражение от передней и задней стенок объекта «собирается» конденсором, один фокус которого располагается внутри «тела» объекта, а другой - на чувствительной площадке фотодиода (pin-фотодиода), период запуска лазера первоначально устанавливают равным его начальному периоду плюс время задержки фронта нарастания сигнала с фотодиода, отсчитанное от фронта нарастания сигнала запуска лазера, затем производят измерение этого периода методом его умножения и заполнения образованного временного интервала импульсами генератора стандартной частоты, затем таким же методом измеряют начальный период запуска лазера, рассчитывают разность измеренных периодов, этим определяют время задержки фронта нарастания сигнала с фотодиода, отсчитанное от фронта нарастания сигнала запуска лазера, таким же методом рассчитывают время задержки фронта спада сигнала с фотодиода, отсчитанное от фронта спада сигнала запуска лазера, разность во времени задержки этих двух фронтов пропорциональна толщине измеряемого объекта, коэффициент пропорциональности между разностью времен задержек двух фронтов и толщиной измеряемого объекта определяется измерением объекта калиброванной толщины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к бесконтактным оптическим методам измерения физических параметров прозрачных объектов, в том числе различных видов стеклотары, листового стекла и прозрачных пленок.

Известен способ определения толщины диэлектрического покрытия, основанный на оценке разности фаз двух отраженных электромагнитных волн от двух границ раздела среды при ее зондировании одним излучателем, а прием отраженных сигналов осуществляется двумя приемниками (см. патент на изобретение № 2350899 С1, МПК G01B 7/06, опубл. 27.03.2009 г.).

Недостатками известного способа являются усредненная оценка толщины покрытия на значительной площади отражающей поверхности и недостаточная точность измерения, ограниченная длиной волны электромагнитного излучения.

Известен интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, взятый в качестве прототипа (см. патент на изобретение № 2313066 С1, МПК G01B 11/02, G01N 21/45, опубл. 20.12.2007 г.). С помощью источника света формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на опорный и измерительный пучки. Опорный и измерительный пучки направляют по опорному и измерительному оптическим путям. Размещают на оптическом пути измерительного пучка исследуемый объект. Измеряют изменение относительно начального значения оптической разности хода для лучей двулучевого интерферометра. Измеряют оптическую разность хода для лучей двулучевого интерферометра, которая является результатом измерения.

Недостатком прототипа является ограниченная область его применения, что обусловлено необходимостью использования при его осуществлении двулучевого интерферометра сложной конструкции.

Задачей заявляемого изобретения является расширение области использования бесконтактных оптических методов измерения физических параметров прозрачных объектов.

Поставленная задача решена тем, что в оптическом способе измерения толщины прозрачных объектов, включающем формирование лазерного излучения, направляемое с помощью зеркала на объект измерения, согласно изобретению диффузное отражение от передней и задней стенок объекта «собирается» конденсором, один фокус которого располагается внутри «тела» объекта, а другой - на чувствительной площадке фотодиода (pin-фотодиода), период запуска лазера первоначально устанавливают равным его начальному периоду плюс время задержки фронта нарастания сигнала с фотодиода, отсчитанное от фронта нарастания сигнала запуска лазера, затем производят измерение этого периода методом его умножения и заполнения образованного временного интервала импульсами генератора стандартной частоты, затем таким же методом измеряют начальный период запуска лазера, рассчитывают разность измеренных периодов, этим определяют время задержки фронта нарастания сигнала с фотодиода, отсчитанное от фронта нарастания сигнала запуска лазера, таким же методом рассчитывают время задержки фронта спада сигнала с фотодиода, отсчитанное от фронта спада сигнала запуска лазера, разность во времени задержки этих двух фронтов пропорциональна толщине измеряемого объекта, коэффициент пропорциональности между разностью времен задержек двух фронтов и толщиной измеряемого объекта определяется измерением объекта калиброванной толщины.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных признаков, состоит в том, что предлагаемая новая последовательность действий с инфракрасным излучением, полученным от полупроводникового лазера, позволяет произвести замер толщины стеклянной пластины измерением увеличения длительности отраженного сигнала по отношению к длительности сигнала лазера, которое обусловлено распространением излучения в толщине стеклянной пластины, последовательным измерением задержек фронтов нарастания и спада отраженного сигнала по отношению к сигналу лазера.

На чертеже схематично изображено устройство, посредством которого может быть реализован предложенный способ измерения толщины прозрачных объектов.

Упомянутое выше устройство содержит полупроводниковый лазер 1 (фиг.1), излучение которого, отразившись от зеркала 2, попадает на объект измерения - стеклянную пластину 3. Диффузное отраженное излучения от этой пластины 3 «собирается» конденсором 4 и фокусируется на чувствительную площадку фотодиода 5. Сигнал с фотодиода через схемы совпадения 6 и 7 соединяется с генератором 8, на другие входы схем совпадения заведены выходы блока управления 9. Выход генератора 8 заведен на вход лазера 1 и через схему совпадения 10 - на счетный вход счетчика 11, на второй вход схемы совпадения и вход установки в «0» счетчика 11 заведены соответствующие выходы блока управления 9. Выход переполнения счетчика 11 соединен с входом «сброса» триггера 12, а его установочный вход соединен с выходом блока управления 9. Единичный выход триггера 12 через схему совпадения 13 управляет подключением к счетному входу счетчика результата 14 выход генератора стабильной частоты 15. Вход установки в «0» и вход Reverse счетчика результата 14 соединены с выходами блока управления 9. Выходной код счетчика результата 14 есть выход всего устройства.

Устройство работает следующим образом.

Примененный в этой схеме генератор 8 обладает способностью увеличивать свой период на величину задержки только одного фронта (нарастания или спада) системы: лазер 1 - излучение - фотодиод 5 - схема совпадения 6 или 7 - и снова генератор 8. Выбор измеряемого фронта производится командой блока управления, включая в работу схему совпадения 6 или 7. Если включается схема совпадения 6, то к периоду генератора 8 добавляется время задержки фронта нарастания сигнала с фотодиода, отсчитанное от фронта нарастания сигнала запуска лазера. Если включается схема совпадения 7, то период генератора 8 увеличивается на время задержки фронта спада фотодиода, отсчитанное от фронта спада сигнала запуска лазера. Собственный период генератора выбран 10 МГц, выходной сигнал близок к меандру.

В начале работы производится подключение к генератору 8 задержки одного из измеряемых фронтов, т.е. подается разрешающий потенциал только на одну из двух схем совпадения 6 или 7. Устанавливается устойчивый режим генерации в системе: генератор 8 - лазер 1 - излучение - фотодиод 5 - схема совпадения 6 или 7 - генератор 8. Дальнейшая работа всей схемы связана с формированием временного интервала и заполнением его импульсами стабильной частоты с генератора 15. Блок управления обнуляет счетчики 11 и 14, затем устанавливает в «1» триггер и разрешает заполнение счетчика периодов запуска лазера 11. Триггер 12 через схему совпадения 13 разрешает заполнение счетчика результата 14 импульсами с генератора стабильной частоты 15. В этом случае счет производится в прямом направлении. Арифметически это выглядит так:

Т - период собственных колебаний генератора 8,

tz - задержка выбранного фронта колебательной системы,

n - количество периодов колебательной системы,

F - частота генератора стабильной частоты 15 (применяется - 100 МГц).

Так как после просчета n периодов счетчик 11 сбрасывает триггер 12 в «0» и прекращает поступление импульсов генератора 15 стандартной частоты на счетчик результата 14, то его состояние равно:

N1=(T+tz)·n·F

В следующем цикле работы устройства от генератора 8 отключается выход фотодиода 5, следовательно, устанавливается собственный период генератора 8, равный Т. Счетчик результата 14 устанавливается на обратный счет (reverse) и снова формируется временной интервал из n периодов генератора 8. Так как счетчик результата 14 включен на обратный счет, то в конце второго цикла работы устройства его состояние будет:

N2=(Т+tz)·n·F-T·n·F=tz·n·F.

В данном устройстве F=10^8 Гц, n=10^7, тогда n*F=10^15, поэтому число на счетчике результата 14 равно задержке фронта выраженное в фемтосекундах.

Таким же методом измеряется время задержки оптической системы второго фронта. Как показано на фиг.2, разность во времени задержки фронтов нарастания и спада пропорциональна толщине измеряемого объекта. Последняя арифметическая операция выполняется в блоке управления, там же определяется коэффициент пропорциональности после измерения калиброванного образца стекла.