Устройство для измерения профиля показателя преломления и линейных размеров объектов с различными показателями преломления Советский патент 1988 года по МПК G01N21/41 

00 00

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении, в частности для измерения линейных размеров и профиля показателя преломления оптических волокон и элементов интегральной оптики.

Целью изобретения является увеличение чувствительности и упрощения наст- ройки устройства.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - диаграмма работы устройства.

Источник 1 через полупрозрачную пластину 2 оптически связан с микрообъективом 3 и.объективом 4. В плос- йости изображения микрообъектива 3 расположен исследуемый образец 5, механически соединенный с устройством 6 перемещения, а в плоскости изображения объектива 4 расположены фотоприемники 7 и 8. Генератор 9 соединен с коммутатором 10, к входам которого подсоединены фотоприемники 8 и 7, причем фотоприемник 7 соединен с низкочастотным усилителем 11. Вькод коммутатора 1 О соединен с входом синхронного детектора 12, выход которого, а также выход низкочастотного усилите- пя 11 соединены с входами делителя 13

Устройство работает следующим об- 1разом.

I Свет источника 1 излучения, прой- |дя полупрозрачную пластину 2 и микро Ьбъектив 3, попадает на поверхность исследуемого образца 5, Отраженный |:вет пропорциональный коэффициентам

Отражения, а следовательно, и пока- .

рателю преломления, регистрируется

фотоприемниками 7 и 8, сигналы с ко- |горых подаются на коммутатор 10, Управляемый генератором 9 и обеспечи фающий коммутацию сигналов с часто- W . Синхронный детектор 12 обеспечивает усиление сигнала, пропор- 1|(ионального приращению показателя Йреломления лп(х). Низкочастотный З силитель 11 обеспечивает усиление в с порном канале, сигнал которого про- Йорционален мощности источника излу- ч|ения 1 и значению показателя прелом 4ения п(х), а делитель 13 при сканировании образца 5 посредством устрой с|тва 6 перемещения обеспечивает и|змерение профиля производной показат еля преломления-(х) . По этим изп

д

5 0 5 О

,. 0

5

0

мерениям восстанавливается профиль показателя преломления Дп(х), а затем по расстоянию между максимумами производной определяются линейные размеры исследуемых образцов.

В устройстве используется усовершенствованный метод пространственной модуляционной рефрактометрии..

Метод используется в основном для измерения профиля показателя ломления (ППП) и линейных размеров оптических волокон tOB) и элементов интегральной оптики. При этом типичными являются следующие параметры: максимальное приращениедп « 10 при исходной величине показателя преломления о; 1,4; размеры измеряемых областей Д х 1-100 мкм.

В основе метода модуляционной рефрактометрии лежит тот факт, что измеряется не прЬфиль отраженного сигнала R(x), а его производная

3 R

(х), модулированная на частоте

о X

С.), где X - координата исследуемой точки в направлении оптической оси объектива. При этом использование синхронного детектирования (сигнал

3 R -ч-- модулируется на частоте о) , на

которой и работает синхронный детектор) позволяет увеличить пороговую чувствительность измерения и

О л

соответственно крутизну преобразования R(x) после интегрирования примерно на два порядка.

Требования к наилучшему простран- ственному разрешению измерителя приводят к тому, что в устройстве используются микрообъективы с малым фокусным расстоянием и большой апертурой. Это приводит к малой глубине резкости и высокой чувствительности сигнала фотоприемника от расстояния 1 h между микрообъективом и исследуемым объектом. Изменение расстояния h на 0,1 мкм приводит к изме- нению сигнала порядка I % .Следовательно, для максимального использования свойств синхронного детектирования, а именно уменьшения паразитной поперечной модуляции до величин порядка , 10 - 10, необходимо устранить поперечные колебания с величиной дЬ 0,1 мкм.

314

Для наилучшего разрешение в методе модуляционной рефрактометрии при использрвании He-Ne-лазера и фокусировки пучка лазера в пятно с диаметром d 0,9 мкм необходимо обеспечить колебание образца на частоте (О с амплитудой /L 0,3.мкм. Поперечные колебания образца с размахом ЛЬ 0,1 мкм возникают вследствие консольности устройства крепления образца и из-за невозможности точного совмещения осей поперечных колеба ний пьезокерамического преобразователя и оси консоли. При этом обеспечит необходимый минимум паразитных затуханий чрезвычайно сложно. Условия, при которых имеется этот минимум, зависят от многих параметров: конфигурации, способа крепления и типа пьезо керамического преобразователя, конфигурации и способа соединения устройства крепления исследуемого образца, частоты со , амплитуды Д L, темпе- 1эатуры помещения и т.д. При наличии паразитных колебаний эти колебания усиливаются на частоте tJ синхронным детектором и проявляются в виде шума тем самым увеличивают порог чувствительности измерителя в определении Э R,.

В устройстве используются преимущества метода пространственной модуляционной рефрактометрии: измерение яе коэффициента отражения R(x), а

„ 9. R . .

его производной(х), использование синхронного детектирования для повышения пороговой чувствительности со снятием основного ограничения метода - паразитной поперечной пространственной модуляции образца на частоте u) .

Паразитная пространственная модуляция отсутствует, так как в устрой- стве вообще отсутствуют механические колебания на частоте W .

Пространственная модуляция обеспечивается коммутацией сигналов фотоприемников, каждый из которых про- сматривает свой участок исследуемого образца.

Фотоприемники 8 и 7 расположены в плоскости изображения оптической системы |Объектив 4 - микрообъектив 3 на расстоянии д L К л L,где Л L « 0,3 мкм; К - коэффициент увеличения оптической системы,причем оба

5 0 5 0

с

0

0

фотоприемника расположены на изображении линии сканирования образца.

Использование одного фотоприемника с синхронным детектированием сиг- нала повышает предельную чувствительность измерения отраженного нала, но при этом дальнейшая обработка не обеспечит измерение малого Приращения коэффициента отражения ДК.

Улучшать предельную чувствительность фотометрического тракта нет необходимости. Действительно, при мощности зондирующего луча Рд 10 мВт и коэ-ффициенте отражения образца R 4% отраженный сигнал Р,. 0,4 мВт. Обычные средства измерения мощности лазерного излучения, без использования синхронного детектирования, позволяют измерять PJJ с предельной чувствительностью до 0,1-0,05 мкВт. Таким образом, сигнал Рд достаточно большой, и в этом большом сигнале обнаруживают малое изменение А Р этого же сигнала при перемещении образца на Лх.

На фиг.2 представлены результаты измерения гетероструктуры на основе GaAlAs.

Регистрируемый после схемы деления сигнал

V(,) A-|5f о X

где А - постоянный коэфифицент пропорциональности, регистрируется, например, самописцем. Коэффициент отражения подложки Rf,oAA известен, по-. этому для восстановления профиля коэффициента отражения R{x) используют . выражение ,

V(x)dx

R() - Rno.-fe

V(x)dx

I o

где Хр,Хп(,д; - соответственно величины исходной координаты исследуемой точки и совпадающей с границей подложек пленки.

По известному R(x) вычисляется

l+1|R(x)

ППП п(х) -г-; ц , а по пикам

1 1|

в кривой определяют граниО X

цы областей с различными показателя- ми преломления.

Использование изобретения упрощает настройку устройства и повьшш

;51

€Т его чувствительность за счет полного устранения паразитных колебаний образца и отсутствия паразитного сиг- пала на частоте усиления синхронного детектора. При этом появляется воз-: ножность максимально использовать преимущества синхронного детектирования, ул чшая отношение сигнал/шум. Юстировочные и настроечные работы сведены к минимуму. Кроме того, в устройстве отсутствует сложный электромеханический вибратор, используется более простой генератор, который мэжет работать на более высокой час- тэте.

Вследствие этого становится воз- мэжным использовать устройство для высокоточных оптических измерений в условиях массового производства.

Формулаизобретения

.

Устройство для измерения профиля показателя преломления и линейных размеров объектов с различными показателями преломления, содержащее ис083146

точник излучения, последовательно по ходу луча которого расположены полупрозрачная пластина,оптическая система с микрообъективом и объективом и фотоприемник,а также устройство перемещения образца, генератор, синхронный детектор, низкочастотный усилитель, делитель, причем фотоприемник

0 расположен в плоскости изображения оптической системы, генератор соединен с входом опорной частоты синхронного детектора, выход фотоприемника соединен с входом низкочастотного

15 усилителя, выходы низкочастотного усилителя и синхронного детектора соединены с входами делителя, отличающееся тем, что, с целью упрощения настройки и увеличе20 ния чувствительности, в устройство введены коммутатор и дополнительный- фотоприемник, расположенный в плоскости изображения оптической системы, причем выходы фотоприемников соеди25 нены с входами коммутатора, выход генератора соединен с управляющим входом коммутатора, а выход коммутатора - с входом синхронного детектора.

Изобретение относится к измери- .тельиой технике и может быть использовано для измерения линейных размеров и профиля показателя преломления элементов оптики.Изобретение наиболее :эффективно применять в оптическом приборостроении. Цель - увеличение чувствительности устройства.и упрощение его настройки. Цель достигается путем введения в устройство дополнительного фотоприемника и коммутатора, при этом настройка упрощается и увеличивается чувствительность за счет того, что модуляционный режим работы обеспечивается переключением коммутатора. Паразитные колебания образца исключаются благодаря разделению перемещения образца и его колебаний на частоте модуляции. 2 ил. (Л

7V.

3 -J.).

П4

nj

jm

9x

Я(х)

i

.ф}

3

ы

-Sf