Способ измерения рельефа поверхности

 

Изобретение относится к оптике. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности способа, который заключается в регистрации картины интерференции импульсных опорного пучка и предметного пучка, многократно отраженного от контролируемой поверхности, причем регистрация осуществляется только в момент смешения импульсов пучков. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„ Ы„, 1755050А1 (я)ю G 01 В 21/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ%

К- АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (Л

С:

I» !

4 (л

Ql .

C), (л

C) (21) 4797325/28 (22) 28,02.90 (46) 15,08.92, Бюл. М 30 (71) Центральное конструкторское бюро уникального приборостроения научно-технического объединения АН СССР (72) B.Ã. Краснер, С,Н, Темнов и В.Ю. Хомич (56) Вест 4. Голографическая интерферометрия, М.; мир, 1982, с. 377.

Изобретение относится к оптике, а именно к оптическим методам измерения рельефа поверхности, и может быть использовано в технологических процессах при построении профилометрических систем контроля.

Известен способ измерения микронеровностей поверхности, заключающийся в смешении опорного лазерного пучка и пред- метного лазерного пучка, многократно отраженного от контролируемой поверхности, путем пространственного разделения лучей предметного лазерного пучка, испытавшйх различное число отражений от контролируемой поверхности, регистрации картины интерференции опорного и предметного пучков и. определения микронеровностей поверхности пб зарегистирированной картине, W едостатком дан ного способа я вляется ограниченная область применения, обусловленная принципиальной невозможностью осуществить измерение рельефа с нерегулярными неоднородностями.

Известен также способ измерения рельефа поверхности, заключающийся в смешении опорного лазерного пучка и предметного лазерного пучка, многократно

2 (54) СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ РЕЛЬЕФА ПОBFPXHOCTN (57) Изобретение относится к оптике. Цель изобретения — повышение точности и чувствительности способа, который заключается в регистрации картины интерференции импульсных ойорного пучка и предметного пучка, многократно отраженного от контролируемой поверхности, причем регистрация осуществляется только в момент смешения импульсов пучков. 2 ил. отраженного от контролируемой поверхности (причем смешение достигается в результате восстановления двухэкспозиционной голограммы), регистрации картины интерференции опорного и предметного пучков путем согласования ойтйческой длины пути опорного лазерного пучка и предметного лазерного пучка, испытавшим заданное число отражений от контролируемой поверхности; с длиной когерентного лазерного излучения и определения рельефа поверхности по зарегистрированной картине.

Данный способ имеет широкую область применения, так как позволяет измерять рельефы с любой пространственной конфигурацией микронеровностей, Однако его недостатками являются низкая точность, обусловленная малой дифракционной эффективностью восстановления голограммы, а также фоновой засветкой регистрируемой картины интерференции, низкая чувствительность, обусловленная принципиальной невозможносгью достижения высоких значений кратности усиления фазовых неоднородностей, вследствие жесткого ограничения на величину оптической длины пути опорного лазерного пучка и предмет1755050

35

45 пр=2L с, 50

55 ного лазерного пучка, испытавшим заданное число отражений от контролируемой поверхности из-за фиксированного значения длины когерентности лазерного излучения.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности метода измерения рельефа поверхности, Поставленная цель достигается способом измере )ия рельефа поверхности, за, ключающимся в смешении опорного лазерного пучка и предметного лазерного пучка, многократно о граженного от контролируемой поверхности, регистрации картины интерференции опорного и предметного пучков и,определении рельефа поверхности по зарегистрированной картине, причем опорный и предметный пучки формируют в аиде импульсов, длительность которых не превосходит времени между двумя последовательными отражениями предметного пучка от контролируемой поверхности, а регистрацию картины интерференции осуществляют в моменты времени, соответствующие смешению импульса опорного пучка с импульсом предметного пучка.

На фиг.1 представлена блок-схема системы, реализующей данный способ; на фиг.2 — временные диаграммы работы системы.

Система содержит лазер 1 с блоком формирования коротких импульсов, а также расположенные на одной оптической оси с ним телескопический расщиритель, состоящий иэ микрообьектива 2, микродиафрагмы

3 и коллимирующей линзы 4, кроме того светоделителей 5» 6 и резонатора, состоящего из светоделителя 7 и.,отражающего объекта 8, рельеф поверхности которого и подлежит измерению. Светоделитель 6 оптически связан с эталонным зеркалом 9, а светоделитель 5 оптически связан с электрооптическим затвором (ЭОЗ) 10, регистратором 11, а также линзой 12 и фотоприемником 13, который в свою очередь электрически связан с цепью . генератор импульсов 14 — генератор временных сдвигов 15 — усилитель напряжения 16—

ЭОЗ 10.

В качестве лазера 1 с блоком формирования коротких импульсов в экспериментальнoм стенде иcnîëüçовай сериййо выпускаемый пикосекундный лазер МГУНПП "Алькор", "YAGUAR".

Оптические элементы 2,3,4,12 использованы из набора оптики серийной установки УИà — 22 M. В качестве ЭОЗ 10 использована стайдартная ячейка Керра.

Регистратором 11 может служить бытовой зеркальный фотоаппарат типа "Зенит-12

СД" или обычный матовый зкран."Фотопри-5

25 емником 13 может служить быстродействующий фотодиод ФД вЂ” 256, входящий в комплект лазера 1 типа "YAGUAR". Генератор импульсов 14, генератор временных сдвигов 15 — серийные приборы типа Г5-72, И18 соответственно. B качестве усилителя 16 может быть использована стандартная ключевая схема.

Коэффициенты отражения светоделителей 5, 6 и 7. а также эталонного зеркала 9 рассчитываются из условия равенства интенсивностей на регистраторе 11 предметного и опорного лазерного импульсов и определяются по заданному числу отражений от объекта. В экспериментальном стенде для пяти отражений от объекта коэффициенты отражения светоделителей

5, 6 и 7 составляют 0 5; 0,1 и 0,45 соответственно, величины которых формируются путем вакуумного напыления по стандартной технологии. Эталонное зеркало 9 имеет ко-: эффициент отражения порядка 0,98 и подобрано из комплекта металлических зеркал, прилагаемых к установке УИà — 22 M. Расстояние между светоделителем 7 и отражающим объектом 8 в изготавливаемом экспериментальном стенде составляет

4 мм.

Способ реализуется следующим образом.

Лазер 1 с блоком формирования коротких импульсов генерирует излучение в импульсно-периодическом режиме, причем длительность лазерного импульса меньше, чем время затрачиваемое им на осуществление двух последовательных отражений от контролируемой поверхности. Время, затрачиваемое лазерным импульсом на осуществление двух последовательных отражений от контролируемой поверхности, определяется временем полного прохода резонатора 7,8 и рассчитывается по формуле где С = Зх10 м/с — скорость света (фиг.1), В экспериментальном стенде L = 4 см и время одного прохода составляет р =

= 8 10 /3 10 = 0,3 нс, Число отражений от объекта 8 в экспериментальном стенде установлено равным пяти. Следовательно, время, за которое лазерный импульс совершит пять полных проходов резонатора 7, 8, будет составлять tippy = 5-Tpp = 1,5 нс.Длительность цуга импульсов излучения лазера

"YAGUAR" в режиме синхронизации мод с

1755050 одновременной модуляцией добротности составляет стабильную величину Т = 4 нс.

В каждом цуге излучается пять пикосекундных импульсов с интервалом тп =1 нс, Первый ного"светоделителя 5, падает на ЭОЗ 10, который в этот момент кратковременно открывается (согласно описанной схеме синхронизации) и пропускает ее на регистратор светоделителем 7 и объектом 8, профиль многократно отраженного от контролируекоторого подле>кит измерению (фиг.1) МоМ поверхности, регистрации картины инПлечи интерферометра Ii и 1г согласова- 4о ны таким образом, чтобы опорный лазерный импульс, отразившись от зеркала 9, терференции опорного и предметного пучков и определений рельефа поверхности по зарегистрированной картйне, о т л и ч а ю щ и йвстретился на светоделителе 6 с предс я тем, что, с целью повышения точности и метным лазерным импульсом, совершив- чувствительности; опорный и предметный шим заданное число отражений от 45 объекта 8, В экспериментальном стенде пучки формируют в виде импульсов, длительность которых не превосходит времени

Ip u Iz согласованы так, чтобы опорный лазерный импульс встретился на светомежду двумя последовательными отражениями предметного пучка от контролируеделителе 6 с предметным лазерным иммой поверхности, а регистрацию картины пульсом, совершившим пять полных 50 интерференции осуществляют в моменты проходов по резонатору 7, 8. Результи- времени, соответствующие смешению имрующая интерференция двух лазерных пульса опорного пучка с импульсом предметного пучка. импульсов, отразившись от полупрозрачимпульс цуга, отраженный от светоделителя 5 11. С генерацией следующего цуга излуче5, фокусируется линзой 12 на быстродейству- - ния лазера 1 работа схемы повторяется, ющий фотоприемник13, постоянная времени Итак, открывание ЭОЗ 10 происходит тольг которого меньше интервала sn и в экспери- . ко в момент, когда интерференционная карментальном стенде составляет т < 1 нс тина от Опорного лазерного импульса и (фиг.2б). Сигнал с фотоприемника 13 по- 10 предметного лазерного импульса, соверступает на генератор импульсов 14, кото- шившего заданное числоотражений от конрый формирует синхроимпульс (фиг.28); тролируемой поверхности, поступает на поступающий в генератор временнь1х регистратор11. Закрытое состояние ЭОЗ 10 сдвигов 15, осуществляющий сдвиг в другие моменты времени позволяет исксинхроимпульса на интервал т д =Т вЂ” 15 лючить фоновую засветку регистрируемой тп (фиг.2г).Далее этот импульс поступает HB интерференционной картины от предметусилитель 16 и сформированный таким об- ных лазерных импульсов, совершивших чис разом импульс напряжения открывает ЭОЗ ло отражений от контролируемой

10 как раэ в тот момент времени, когда по- " поверхности меньшее; чем за;бранное. Замеследний лазерный имйульс цуга совершит 20 тим, что интенсивность всех предь,™,чцих заданное число отражений от контролируе- отражений от контролируемой поверхности мой поверхности (заданное число проходов - выше интенсивности заданного отражения, llo резонатору 7, 8). В экспериментальном Исключение фоновой засветки регистрирустенде теда =4 нс. Таким образом, все емойлинтерферонционнойкартиныпозвои импульсы, входящие в цуг излучения 25 ет повысить точность и чувствительность лазера 1, кроме последнего, пройдя эле- измерения профиля поверхности объекта 8 менты оптической схемы 2 — 8, не попада- без привлечения голографических методов ют на регйстратор 11, поскольку ЭОЗ 10 регистрации интерференционной картины, закрыт (фиг.2). Последний импульс цуга чтоактуальноприизмеренияхмалыхампл:1излучения лазера 1 попадая на телескоп 30 туд микронеровностей рельефа поверх:го2-4 расширяется и, пройдя сквозь полу- сти, в частности при визуализации по.: и прозрачный светоделитель 5, разделяет- поверхностных акустических волн и т,п ся светоделителем 6 на опорный лазерный импульс, который попадает на О о р мул а из о б ре те н и я эталонное зеркало 9 и отражается от не- 35 Способ изменения рельефа поверхности, го, и предметный лазерный импульс, по- эаключа ощийсявсмешенииопорноголазерпадающий в резонатор, образованный ного пучка и предметного лазерного пучка, 1755050

1755050

РыхоА/:

РРЗОНИ/пор

Редактор О.Спесивых

Заказ 2882 Тираж . .. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбйнат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 141

f8)YPPcf

N0P Ю пулмМ

ГРНР )О пор ре/ФАРУХ

60lll803

Составитель В;Краснер

Техред М.Моргентал Корректор И.Шулла ° (