УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ОБЪЕКТА Российский патент 2013 года по МПК G01B11/30 G01B9/02 

Изобретение относится к интерференционной оптике и может быть использовано для получения изображения микрорельефа объекта, имеющего большую площадь поверхности.

Из публикации JP 2001059714 A, G01B 9/02, 06.03.2001 известно устройство для исследования поверхности объекта, представляющее собой, по сути, микроскоп, в котором изображение микрорельефа объекта моделируют в результате интерпретации фазового портрета объекта, полученного интерференционным методом. Данное устройство выбрано в качестве прототипа изобретения.

Интерференционный метод получения фазового портрета объекта, реализованный в прототипе, заключается в использовании когерентного монохроматического пучка света, который разделяют на два пучка, один из которых направляют к исследуемому объекту, а другой - к фазовому модулятору, выполненному в виде плоского зеркала (далее - опорное зеркало). Первый пучок (далее - объектный пучок), отражаясь от объекта, получает информацию об объекте в виде смещения фазы по сечению пучка, которое обусловлено различной длиной оптического пути волн вследствие изменяющегося по площади объекта рельефа. Второй пучок (далее - опорный пучок) отражается от опорного зеркала и имеет неизменную фазу по сечению пучка. Оба пучка направляются на экран фотоприемника, где они образуют интерференционную картину (далее - интерферограмму).

Для получения фазового портрета объекта необходимо вычислить фазу объектного пучка на каждом пикселе экрана фотоприемника. Общеизвестным считается способ определения фазы объектного пучка, при котором требуются минимум три интерферограммы, позволяющие определить освещенность каждого пикселя и полученные при различных значениях разности фаз объектного и опорного пучков.

Требуемое изменение разности фаз получают сдвигом фазы опорного пучка, который осуществляют путем изменения длины оптического пути опорного пучка при перемещении опорного зеркала.

Однако прототип не оснащен средствами взаимного позиционирования объектива микроскопа и объекта наблюдения. При этом на практике нередко встречаются задачи, связанные с необходимостью получения изображения микрорельефа нескольких удаленных друг от друга участков поверхности объекта большой площади.

Задачей изобретения является предложение решения, позволяющего исследовать микрорельеф объекта, имеющего большую площадь поверхности.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для получения изображения микрорельефа объекта, включающее платформу, на которой расположен объект, и портал, на котором установлен фазовый микроскоп. Платформа способна перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль первой горизонтальной оси, а портал способен перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль второй горизонтальной оси, перпендикулярной первой горизонтальной оси. При этом все аэростатические опоры подключены к общей пневматической системе, а микроскоп выполнен с возможностью получения интерферограмм через интервалы времени, равные периоду колебаний давления в общей пневматической системе.

Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:

фиг.1 - микроскоп, используемый в предложенном устройстве;

фиг.2 - предложенное устройство для получения изображения микрорельефа объекта.

Используемый в предложенном устройстве фазовый микроскоп (фиг.1) содержит источник когерентного света - лазер 1. Светоделитель 3, размещенный на оси лазерного пучка после поляризационного элемента 2, делит исходный пучок света 4 на два пучка - объектный 5 и опорный 6. Объектный пучок через объектив 7 направляется к объекту 8 и, отражаясь от него, попадает на светоделитель 3, через который проходит, сохраняя направление. Опорный пучок направляется на фазовый модулятор 9, который выполнен в виде опорного зеркала 10, оснащенного пьезоприводом. Отражаясь от опорного зеркала, опорный пучок меняет направление на светоделителе 3 и совместно с объектным пучком через линзу 11 и поляризационный анализатор 12 попадает на экран фотоприемника 13, где оба луча образуют интерферограмму. При перемещении опорного зеркала вдоль оптического пути опорного пучка происходит сдвиг фазы опорного пучка, вследствие чего интерферограмма меняет вид, т.е. изменяется освещенность пикселей экрана фотоприемника.

Информация с фотоприемника 13 поступает в компьютер 14, который через генератор напряжения 15 соединен с фазовым модулятором 9. Компьютер на основании трех интерферограмм получает фазовый портрет объекта, а далее моделирует изображение микрорельефа объекта. В контексте настоящего изобретения важным является следующий факт: формирование фазового портрета участка поверхности объекта и его конечного изображения производится на основании интерферограмм, полученных в различные моменты времени.

В предложенном устройстве для получения изображения микрорельефа объекта описанный выше микроскоп, обозначенный на фиг.2 позицией 16, расположен на портале 17, в то время как наблюдаемый объект 18 расположен на платформе 19. Для осуществления взаимного позиционирования микроскопа и объекта портал и платформа способны перемещаться относительно друг друга вдоль взаимно перпендикулярных горизонтальных осей. Ось, вдоль которой перемещается платформа, условно названа первой горизонтальной осью (на фиг.2 - ось X), а ось, вдоль которой перемещается портал - второй горизонтальной осью (на фиг.2 - ось Y).

Платформа и портал, являющиеся подвижными элементами, установлены на неподвижном элементе - основании 20 - на аэростатических опорах.

Аэростатическая опора в общем случае включает направляющую, закрепленную на неподвижном в выбранной системе координат элементе, и имеющую магнитную связь с танкеткой, соединенной с подвижным элементом или выполненной с ним заодно. Танкетка снабжена каналами для подачи воздуха к направляющей, при этом давлением подаваемого из танкетки воздуха создается зазор между направляющей и танкеткой. Использование аэростатических опор позволяет исключить трение между подвижными и неподвижными элементами, тем самым предотвратить износ и повысить точность позиционирования подвижного элемента в направлении перемещения.

Под направлением усилия, создаваемого аэростатической опорой, понимается направление от направляющей, являющейся неподвижной в выбранной системе координат, в данном случае - связанной с основанием, к танкетке.

Основные аэростатические опоры платформы и портала, обозначенные соответственно позициями 21 и 22, создают усилия в вертикальном направлении. Дополнительные аэростатические опоры платформы и портала 23 и 24 создают усилия вдоль соответственно второй и первой горизонтальных осей и обеспечивают перемещение указанных элементов строго вдоль соответственно первой и второй горизонтальных осей. Направляющие основных и дополнительных опор закреплены на основании, а танкетки связаны с платформой и порталом. Для надежного удержания платформы и портала на основании целесообразно использовать по две основные и одну дополнительную аэростатические опоры на каждый указанный подвижный элемент.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает возможность взаимного перемещения микроскопа и объекта, что позволяет получать изображение поверхности различных участков объекта.

Пневматическим системам, используемым совместно с аэростатическими опорами, свойственны колебания давления, обусловленные главным образом ступенчатым характером работы нагнетающих элементов их компрессоров - крыльчаток или поршней - и характеризующиеся постоянным периодом.

Колебания давления приводят к непостоянству воздушного зазора в аэростатических опорах, вследствие чего возникают неточности позиционирования микроскопа и объекта в направлении усилия аэростатических опор. Поскольку, как указывалось выше, получение трех интерферограмм является разнесенным во времени, то взаимное смещение микроскопа и объекта вносит существенную погрешность в формирование фазового портрета и, в конечном счете, изображения микрорельефа поверхности.

Для решения этой проблемы в устройстве реализован способ автокомпенсации перепадов давления.

Основные аэростатические опоры 21 и 22, создающие усилие в вертикальном направлении и на которых установлены платформа и портал, также как и дополнительные опоры 23 и 24, присоединены к общей пневматической системе. Под общей пневматической системой понимается пневматическая система, имеющая общий источник давления для всех аэростатических опор платформы и портала.

При возникновении перепада давления и вызванного этим изменения воздушного зазора в основной аэростатической опоре платформы происходит также изменение воздушного зазора в основной аэростатической опоре портала. Таким образом, вертикальное смещение расположенного на платформе объекта относительно микроскопа, расположенного на портале, компенсируется таким же по величине и направлению вертикальным смещением микроскопа относительно объекта, вследствие чего не возникает погрешности взаимного позиционирования микроскопа и объекта в вертикальном направлении.

Изложенный выше принцип автокомпенсации давления позволяет существенно повысить качество получаемых изображений, так как в целом обеспечивает неизменность длины вертикальной проекции хода лазерного пучка между микроскопом и объектом. Как было показано выше, такая неизменность указанного расстояния необходима вследствие того, что получение трех интерферограмм осуществляется в разные моменты времени.

Однако горизонтальные смещения платформы и портала, вызванные изменением величины зазора в дополнительных аэростатических опорах по причине колебания давления в пневматической системе, не могут компенсировать друг друга, поскольку происходят во взаимно перпендикулярных направлениях. Для решения данной проблемы согласно заявленному изобретению микроскоп выполнен с возможностью получения интерферограмм через интервалы времени, равные периоду колебаний в общей пневматической системе. Действительно, несмотря на то, что платформа и портал колеблются вдоль соответственно второй и первой горизонтальных осей, через интервалы времени, равные периоду колебаний давления в пневматической системе, они оказываются в одном и том же положении.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить несколько разнесенных во времени интерферограмм при минимальном отклонении от заданного положения микроскопа и объекта. Указанный технический результат обеспечивает высокую точность изображения микрорельефа поверхности объекта при реализации возможности взаимного перемещения микроскопа и объекта.

Изобретение может быть использовано для получения изображения микрорельефа объекта, имеющего большую площадь поверхности. Устройство включает платформу, на которой расположен объект и которая способна перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль первой горизонтальной оси, и портал, на котором установлен фазовый микроскоп и который способен перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль второй горизонтальной оси, перпендикулярной первой горизонтальной оси. Все аэростатические опоры подключены к общей пневматической системе, а микроскоп выполнен с возможностью получения интерферограмм через интервалы времени, равные периоду колебаний давления в общей пневматической системе. Технический результат - обеспечение высокой точности изображения микрорельефа поверхности объекта при взаимном перемещении микроскопа и объекта. 2 ил.

Устройство для получения изображения микрорельефа объекта, включающее платформу, на которой расположен объект и которая способна перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль первой горизонтальной оси, и портал, на котором установлен фазовый микроскоп и который способен перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль второй горизонтальной оси, перпендикулярной первой горизонтальной оси, при этом все аэростатические опоры подключены к общей пневматической системе, а микроскоп выполнен с возможностью получения интерферограмм через интервалы времени, равные периоду колебаний давления в общей пневматической системе.