СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПРОЗРАЧНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2000 года по МПК G01B11/06 G01B9/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения оптической толщины плоскопараллельных объектов и слоев.

Известен интерференционный способ определения толщины прозрачных плоскопараллельных объектов. Он заключается в том, что монохроматический пучок разделяют на опорный и объектный пучки, а две интерференционные картины, одна из которых образована опорным и объектным пучком, а другая - объектным пучком, отраженным от обеих поверхностей объекта, совмещают в одной плоскости, изменяют длину волны опорного пучка излучения и регистрируют момент полного наложения интерференционных полос в обеих интерференционных картинах (SU, а. с. 1693371, G 01 B 11/06, опубл. 23.11.91).

Недостатком этого способа является использование монохроматических пучков для создания интерференционной картины, сложная процедура измерения и вследствие этого невысокая производительность метода.

Наиболее близким является интерференционный способ определения толщины плоскопараллельных объектов из оптически прозрачных материалов, заключающийся в том, что объект освещают параллельным пучком белого света, направляют пучки, отраженные от поверхностей объекта, в спектральный прибор, регистрируют интерференционную картину, измеряют число полос в ней между двумя длинами волн, после этого измерения объект устанавливают в измерительный канал интерферометра, вновь направляют интерферирующие пучки в спектральный прибор, регистрируют интерференционную картину, измеряют число полос между теми же длинами волн, что и в первой картине, и определяют толщину t объекта из соотношения t = (Δk₁-Δk)λ₁λ₂/2(λ₁-λ₂), где Δk₁ - число полос между двумя длинами волн λ₁ и λ₂ в первой интерференционной картине, Δk - число полос между двумя теми же длинами волн во второй интерференционной картине (SU, а. с. 1474456, G 01 B 11/06, опубл. 23.04.89).

Недостатком этого способа является использование спектрального прибора, сложная процедура измерений и вследствие этого невысокая производительность метода.

В основу изобретения положена задача создания способа измерения оптической толщины плоскопараллельных прозрачных объектов путем направления пучков, отраженных от поверхностей объекта, в двухлучевой интерферометр, бипризму или бизеркало Френеля, создания двух пространственно когерентных пучков, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом друг к другу, и размещения в области переложения пучков позиционно-чувствительного многоэлементного фотоприемника, при котором обеспечивалось бы упрощение структуры интерференционной картины за счет создания трех нелокализованных "нулевых" интерференционных полос, в результате чего достигалось бы увеличение производительности метода измерений.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что объект освещают плоскопараллельным пучком белого света и отраженные от двух поверхностей объекта пучки преобразуют в два пространственно когерентных пучка, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом γ друг к другу, и регистрируют в области переложения пучков с помощью пространственно-чувствительного многоэлементного фотоприемника интерференционную картину, затем измеряют расстояние между центрами крайних полос δy и по нему определяют оптическую толщину объекта tn₀.

Пучки, отраженные от поверхностей объекта, могут быть преобразованы с помощью двухлучевого интерферометра, и тогда оптическая толщина объекта определяется по формуле tn₀ = δy/2 sinγ/2, где γ - угол схождения пучков в двухлучевом интерферометре.

Пучки, отраженные от поверхностей объекта, могут быть направлены на бипризму Френеля, и тогда определяют оптическую толщину объекта по формуле
tn₀ = δy sinγ(n-1).
где γ - преломляющий угол бипризмы Френеля, n - показатель преломления вещества бипризмы Френеля.

Вышеуказанные пучки могут быть направлены на бизеркало Френеля, и тогда оптическую толщину объекта определяют по формуле
tn₀ = δy sinγ,
где γ - угол между бизеркалами Френеля.

Создание двух пространственно когерентных пучков белого света, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом друг к другу, осуществленное с помощью двухлучевого интерферометра или бипризмы (бизеркала) Френеля, приводит к образованию интерференционной картины из трех нелокализованных "нулевых" интерференционных полос, тем самым измерение оптической толщины объекта сводится к определению расстояния между центрами крайних полос, что обеспечивает упрощение и ускорение процедуры измерения, т.е. приводит к повышению производительности. Дополнительный технический результат возникает при использовании бипризмы или бизеркала Френеля, обеспечивающих стабильность интерференционной картины и нечувствительность метода измерений к вибрациям за счет отсутствия движущихся частей.

Сущность предложенного способа поясняется фиг. 1 и 2. На фиг.1 приведена оптическая схема устройства, реализующего указанный способ.

Устройство содержит пространственно-когерентный источник белого света, создающий пучок параллельных лучей 1, полупрозрачное плоское зеркало 2, освещающее плоскопараллельный прозрачный объект 3, бипризму Френеля 4 (в одном из вариантов изобретения) и пространственно-чувствительный многоэлементный фотоприемник 5.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в области переложения двух выходных пучков интерферометра, распространяющихся под малым углом γ друг к другу, например, преломленных двумя половинами бипризмы Френеля, возникает интерференционная картина, состоящая из трех полос: центральной и симметрично относительно нее расположенных двух других идентичных центральной по структуре. Центральная полоса есть обычная "нулевая" полоса, наблюдаемая при освещении интерферометра параллельным пучком белого света. Положение двух боковых полос определяется разностью хода лучей, отраженных от передней и задней поверхности плоскопараллельного слоя, эта разность хода набирается пучком при прохождении света через плоскопараллельный слой до задней поверхности и обратно. Расстояние δy между боковыми полосами связано с оптической толщиной слоя и углом γ между пучками соотношением:
δy = 2tn₀/sin(γ/2).
Толщина слоя рассчитывается по формуле:
t = (δy/2n₀)sin(γ/2)
где: t - толщина плоскопараллельного слоя, n₀ - его показатель преломления.

Для бипризмы с преломляющим углом γ оно приобретает вид:
t = (δy/2n₀)sin[γ(n-1)] ≈ (δy/2n₀)γ(n-1)
Здесь n - показатель преломления вещества призмы. Рассмотрим теоретические основы способа. В общем случае распределение освещенности E(y) в области пересечения пучков интерферометра описывается соотношением:
E(y) ∝ 1+r[2y/c sin(γ/2)],
где r - функция автокорреляции излучения, освещающего призму, с - скорость света.

Предположим, что источник пространственно-когерентного излучения эмитирует квазимонохроматический свет с центральной частотой ν₀ и приближенно-гауссовым распределением спектра с шириной Δν.
Можно показать в более общем случае, что распределение освещенности в области интерференции описывается сверткой автокорреляционной функции используемого излучения с автокорреляционной функцией сигнала, формирующегося при отражении от двух поверхностей бесконечно короткого светового импульса. Оно несет информацию не только о расстоянии между поверхностями, но и о структуре вещества, находящегося между ними (в рассматриваемом случае - прозрачного).

Для плоскопараллельного слоя при гауссовской форме спектра шириной Δν с центральной частотой ν₀ функция r имеет вид:

Здесь символом ⊕ обозначена операция свертки δ(t) - дельта-функция Дирака, τ₀ - время когерентности, Δ = tn₀/c. Качественно вид распределения освещенности в зоне интерференции изображен на фиг. 2.

Учитывая, что τ₀ = 4/π•Δν, из этой формулы можно видеть, что ширина каждого из интерференционных максимумов тем меньше, чем больше ширина спектра излучения.

Таким образом, метод позволяет измерить оптическую толщину (tn₀) прозрачного слоя простым измерением расстояния между крайними интерференционными полосами, при этом за координату полосы принимают положение ее максимума. Отметим, что метод позволяет использовать как источники белого света, так и широкополосное лазерное излучение. В отличие от большинства существующих, предлагаемый способ и основанные на нем устройства не содержат подвижных элементов и обеспечивают возможность применения простых методов автоматизации процедуры измерения с целью контроля процессов изготовления слоев.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интерференционным способам измерения оптической толщины плоскопараллельных объектов и слоев. Измерение оптической толщины плоскопараллельных прозрачных объектов осуществляют путем направления пучков, отраженных от поверхностей объекта, на двухлучевой интерферометр, бипризму или бизеркало Френеля, создают два пространственно-когерентных пучка, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом друг к другу, размещают в области наложения пучков позиционно-чувствительный многоэлементный фотоприемник. Способ позволяет упростить интерференционную картину за счет создания трех нелокализованных нулевых интерференционных полос, в результате чего достигается увеличение производительности метода измерений. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения оптической толщины плоскопараллельных прозрачных объектов, заключающийся в освещении объекта пространственно-когерентным пучком белого света и регистрации интерференции пучков, отраженных от двух поверхностей объекта, отличающийся тем, что вышеуказанные пучки преобразуют в два пространственно-когерентных, распространяющихся в одном общем направлении под малым углом γ друг к другу, а затем в области наложения пучков с помощью пространственно-чувствительного многоэлементного приемника регистрируют интерференционную картину, измеряют расстояние между центрами боковых полос δy и определяют оптическую толщину объекта tn₀. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование вышеуказанных пучков осуществляют с помощью двухлучевого интерферометра, а оптическую толщину объекта tn₀ определяют по формуле
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование вышеуказанных пучков осуществляют на бипризму Френеля, а оптическую толщину объекта tn₀ определяют по формуле tn_o= δy•sinγ(n-1).
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование вышеуказанных пучков осуществляют с помощью бизеркала Френеля, а оптическую толщину объекта tn₀ определяют по формуле tn_o= δy•sinγ, где γ - угол между бизеркалами Френеля.