Устройство для контроля толщины кристаллических пластин в процессе доводки Советский патент 1989 года по МПК G01B11/06 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины кристаллических пластин интерференционно- поляризационного фильтра (ИПФ) в процессе доводки.

Цель изобретения - повышение точности контроля путем увеличения светосилы монохроматора при сохранении монохроматичности излучения.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для контроля толщины кристаллических пластин в процессе доводки; на фиг. 2 - участок спектральной характеристики пропускания ИПФ; на фиг. 3 - освещенная источником света входная щель монохроматора в фокальной плоскости выходного объектива при бесконечно узкой входной щели (За) и при конечной ширине входной щели монохроматора (36).

Устройство содержит последовательно установленные и оптически связан. ные источник 1 сплошного излучения, осветительную систему 2, входную щель 3 монохроматора, входной объ- ектив 4, ИПФ 5, диспергирующий эле

5

0

мент 6, выходной объектив 7, выходную щель 8 монохроматора, входной объектив 9 поляризационного двухлу- чевого интерферометра, поляризатор 10, компенсатор 11, помещенный в термостат 12 с защитными окнами 13 и 14, четвертьволновую фазовую пластину 15, установленную с возможностью вращения с постоянной частотой w от электродвигателя 16, анализатор 17 и выходной объектив 18 поляризационного двухлучевого интерферометра, фотоприемник 19, селективный усилитель 20 первого канала двухканального регистрирующего блока, настроенный на частоту 2ws фазометр 21, селективный усилитель 22 второго канала двухканального регистрирующего блока, настроенный на частоту 4со, синхронный детектор 23, диск 24 генератора опорного напряжения с двумя отверстиями 26, расположенными по окружности через 90° и смещенными по радиусу диска 24 относительно отверстий 25, лампы 27 и 28 накаливания и фотоприемники 29 и 30.

Источник 1 сплошного излучения представляет1 собой ленточную вольфрамовую лампу с окнами из увиолевого стекла типа СИ-8-200У.

ИПФ 5 выполнен в виде двух поляризаторов и размещенных между ними эталонных кристаллических пластин одинаковой толщины, вырезанных из одного материала, при этом количество пластин m и толщины каждой отдельной пластины d определяются из следующих соображений.

Допустим, что входная щель 3 имеет бесконечно малую ширину, т.е. где телесный угол, под которым

видна входная щель 3 из центра вход- 15 этом угловое увеличение системы для ного объектива 4.монохроматических излучений равно 1).

Величина больше ч и определяется приближенной формулой

Входная щель 3, освещенная источником 1 излучения, изображается в фокальной плоскости выходного объектива 7 в виде ряда полос (фиг. За). Угловая ширина i-й полосы изображения 2rf1. равна произведению спектральной ширины полосы изображения 2 сГд; на угловую ,дисперсию G; диспергирующего элемента 6 в области Д. т.е.

20

If. Я Ч - 2 СЛЛ; G;.

(5)

Определив величину угловой дисперсии G, диспергирующего элемента 6, при которой квазимонохроматические 25 изображения входной щели 3 в фокальной плоскости выходного объектива 7 не перенакладываются, и найдя соответствующее значение линейной дисперсии монохроматора

2 4d, . G .

Спектральный состав i-й полосы изоб- изображения определяется спектральной 30 шириной 2. полосы пропускания ИПФ (фиг. 2).

Аналогично угловой интервал с(; меж- между максимумами i-й и (1+1)-й полос изображения определяется форму- 35 лой:

25

d. flA- G ,

798234

ляются более широкими. По мере увеличения if угловые интервалы между ближайшими краями соседних полос изоб5 ражения уменьшаются, причем для различных полос в различной степени в зависимости от ДД. , /M. , )М и дисперсии G; в данной области спектра.

Ю Если Ч1 , входная щель 3 изображается в фокальной плоскости выходного объектива 7 в виде ряда отдельных квазимонохроматических полос изображения с угловой шириной ср (при

20

If. Я Ч - 2 СЛЛ; G;.

(5)

- 30

Определив величину угловой дисперсии G, диспергирующего элемента 6, при которой квазимонохроматические 5 изображения входной щели 3 в фокальной плоскости выходного объектива 7 не перенакладываются, и найдя соответствующее значение линейной дисперсии монохроматора

D, f G .-

ДД;-2 ГЛ

(6)

находят ширину полос изображения бесконечно узкой входной щели 3 (фиг. За)

2Л D ,

1

(7)

uAt , расстояние между центрами полос изоб

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для контроля толщины кристаллических пластин интерференционно-поляризационного фильтра в процессе доводки. Цель изобретения - повышение точности контроля путем увеличения светосилы монохроматора при сохранении монохроматичности излучения. Источник 1 сплошного излучения освещает входную щель 3 монохроматора. Объектив 4 формирует параллельный пучок лучей, падающий на интерференционно-поляризационный фильтр 5, выполненный в виде двух поляризаторов и размещенных между ними эталонных кристаллических пластин одинаковой толщины, вырезанных из одного материала, количество M которых и толщина D каждой из них определены из требуемых характеристик монохроматора. Диспергирующий элемент 6 разлагает излучение на монохроматические составляющие. Линейно поляризованный свет, попавший на контролируемую пластину, разбивается на обыкновенный и необыкновенный пучки, между колебаниями которых возникает разность кода. Компенсатор 11 представляет собой две плоскопараллельные пластины из кристаллического кварца равной или очень близкой толщины, заключенные в оправу, наклоняющуюся вокруг горизонтальной оси. Четвертьволновая фазовая пластина 15 вращается с частотой ω и модулирует пучки излучения. После анализатора 17 оба пучка интерферируют. Выходной объект 18 фокусирует световой поток на фотоприемнике 19. При дополнении компенсатором 11 замеренной дробной части оптической разности хода в контролируемой пластине 31 до значения 0,25 λ₀ или 0,75 λ₀ свет, выходящий из компенсатора 11, поляризован по кругу. Показание предварительно отградуированного индикатора дает возможность определить дробную часть оптической разности хода лучей в контролируемой пластине 31 и, следовательно, ее избыток толщины. 3 ил.

А1 ДЛ-D; -vfkl ДЛ;-2оМ(

(8)

где ЛД; - спектральный интервал между 40 ражения (фиг. Зб) двумя соседними полосами изображения, определяемый o6j астью дисперсии фильтра а Л,;

G . - средняя угловая дисперсия диспергирующего элемента в интервале ДЛ-. Угловой интервал между внутренними краями соседних полос изображения

При входной щели шириной 1 ширина полосы изображения увеличивается до значения 2d4 dL, сохраняя прежний спектральный состав, равный 2 ГЛ.. Выширину 1 входной щели 3, при которой д5 полосы изображения еще видны раздельно при увеличении оптической системы, равном 1

.

(9)

50

|4, ЛА,С.- /bG,- dM,. + 1Gj,,

или

р( А,- (cTW,+ М|Ч1)

(3) (4)

ходная щель 8. шириной 1 выделяет световой поток с монохроматичностью 2 А.. Если не использовать ИПФ, то для получения светового потока такой же монохроматичности необходимо

Если выходная щель имеет конечную угловую ширину (С-(фиг. 1), то полосы изображения входной щели 3 фокальной плоскости выходного объектива 7 явА1 ДЛ-D; -vfkl ДЛ;-2оМ(

(8)

ения (фиг. Зб)

ражения (фиг. Зб)

ширину 1 входной щели 3, при которой полосы изображения еще видны раздельно при увеличении оптической системы, равном 1

.

(9)

50

(3) (4)

ходная щель 8. шириной 1 выделяет световой поток с монохроматичностью 2 А.. Если не использовать ИПФ, то для получения светового потока такой же монохроматичности необходимо

51

входную и выходную щели выполнять шириной 2 tfl.

Таким образом, введение ИПФ дает возможность увеличить световой поток на выходе монохроматора (без учета пропускания ИПФ) в М раз, где

М (41/2сГ1)2 (дА,/2сЯД.)а. (10) Так как

.(1 - i „,.iLL.W , С11)

,.45 ,.,-Ј$

m-d 77

то вьфажение (10) можно преобразовать к виду

М (т/2,9)2.

t

С учетом пропускания ИПФ увеличение светосилы монохроматора М , где ЈНПф- коэффициент пропускания ИПФ.

Следовательно, количество эталонных пластин

m 2,9 VM/OM

Пф )

(13)

где М - заданное увеличение светосилы монохроматора. Из выражения (12) при Д; Лв, |л, |JQ и 2 сЯЛ; , где сЛЛи- монохроматичность излучения при контроле ,получают значение толщины каждой отдельной пластины

0 -

d °--Н°-а-А (14)

сГЛц го . р0

Светосила монохроматора по потоку прямо пропорциональна квадрату ширины щели (входной и выходной) . Следовательно, увеличение светосилы монохроматора

М (--)2, где 1 и 1 - ширина щели

монохроматора при наличии ИПФ и без него, соответственно.

, d А ц

В то же время 1 .-;тт гДе

d A/dl

dA/dl - обратная линейная дисперсия монохроматора,

Значение ширины входной и выходной щелей монохроматора

1 т/М/Онпф .cTAw(dA/dl). (15)

798236

Углы между главными сечениями эталонных пластин и главным направлением поляризаторов ИПФ определяются из соотношений

m

w p w п-1 +n d , при rU - + 1;

m

wh w n-i +() d, при n - + 1

2ff где d если т четное число;

2JT

с 7-тг7--r, если m - нечет- 1 (m+1)(m+3)

ное число;

n - порядковый номер пластины. Диспергирующим элементом 6 является призма или дифракционная решетка.

Компенсатор 11 представляет собой две плоскопараллельные пластины (не показаны) из кристаллического кварца равной или очень близкой толщины, заключенные в оправку, наклоняющуюся

вокруг горизонтальной оси. Пластины компенсатора вырезаны параллельно кристаллической оси Z, ориентированы друг относительно друга так, что их главные сечения взаимно перпенцикулярны, и закреплены в оправке так, что главное сечение одной из пластин параллельно оси вращения оправки, т.е. горизонтально. В этом случае увеличение угла наклона компенсатора соответствует увеличению вводимой им оптической разности хода. Угол наклона компенсатора контролируется индикатором часового типа (не показан).

Плоскости поляризации поляризатора 10 и анализатора 17 поляризационного двухлучевого интерферометра взаимно параллельны и составляют углы 45° с главными сечения контролируемой кристаллической пластины 31 и пластин компенсатора 11.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 сплошного излучения через осветительную систему 2 освещает входную щель 3 монохроматора. Входной объектив 4 формирует параллельный пучок лучей, падающий на ИПФ

На выходной объектив 7 монохрома- тора направляется веер параллельных пучков различных длин волн. Последние фокусируются объективом 7 на его фокальной поверхности, совпадающей с плоскостью выходной щели 8 моно- хроматора.

Входной объектив 9 поляризационного двухлучевого интерферометра фор мирует параллельный пучок лучей монохроматического излучения, падающий на поляризатор 10. Линейно поляризованный поляризатором 10 свет, попавший на двухлучепреломляющую кристаллическую пластину 31, разбивается на два луча - обыкновенный и необыкновенный, которые распространяются в пластине в одном и том же направлении, но с разными скорое- тями. Между колебаниями обоих лучей возникает разность хода. Проходя через компенсатор 11, колебания обыкновенного и необыкновенного лучей приобретают дополнительную разность хода. Вращающаяся четвертьволновая фазовая пластина 15 осуществляет модуляцию этих колебаний. После анализатора 17 оба луча интерферируют между СОбоЙ. ВЫХОДНОЙ объекТИВ 18 ПОЛЯ-

ризационного двухлучевого интерферометра фокусирует световой поток на фотоприемник 19.

Световой поток, падающий на фотоприемник 19, определяется из выражения

I - (1 + | cos sin2wt + - cos d1

х cos4u t) ,

2/Г, где сГ -.-(т + z + );

(16)

10 - максимальная интенсивность

светового потока;

m п - целая оптическая разность хода интерферирующих лучей в контролируемой кристаллической пластине; пи « Дробная часть оптической

разности хода интерфериру- ющих лучей в контролируемой пластине и компенсаторе соответственно;Д0- длина волны. Первоначально компенсатором 11 дополняют дробную часть оптической разности хода интерферирующих лучей в контролируемой пластине 31 до значения 0, 0,75Д0, при которых свет, выходящий из компенсатор 11, поляризован по кругу.

Критерием этого является отсутствие составляющей сигнала с частотой 4о, регистрируемой синхронным детектором 23. При этом показания индикатора часового типа на компенсаторе 11, предварительно отградуированного дает возможность определить дробную часть оптической разности хода интерферирующих лучей в контролируемой пластине 31. Градуировка компенсатора 11 производится на этой же установке при отсутствии контролируемой пластины 31. Определяется разность отсчетов индикатора часового типа п между двумя соседними положениями компенсатора 11, соответствующим k 0,25Л„ и #k 0,74Л0.

Если в результате дополнения компенсатором 11 в контролируемой пластине 31 получается излучение, поляризованное по левому кругу, то избыток толщины контролируемой пластины 31 на данном этапе доводки определяют по формуле

л, 0 25А0 - х о--. ,

(17)

где х0- показатель двойного лучепреломления материала контролируемой пластины 31 на длине волны контроля Д0.

Если в результате дополнения компенсаторов интерферирующих лучей в контролируемой пластине 31 получают излучение, поляризованное по правому кругу, то избыток толщины пластины 31 определяют по формуле ,

о (18)

Излучение, поляризованное по правому кругу, отличают от излучения поляризованного по левому кругу, путем регистрации фазометром 21 фазы составляющей электрического сигнала с частотой 2си, так как для электрических сигналов, соответствующих этим двум излучениям, существует сдвиг по фазе, равный 180°.

Введение в устройство ИПФ позволяет при сохранении требуемой монохроматичности излучения в УФ-области спектра (Д0 2937 А) в 15 раз увеличить размеры входной и выходной щелей монохроматора.

Светосила монохроматора в предлагаемом устройстве по сравнению с про91479823

тотипом увеличивается в 100 раз (с учетом пропускания ИПФ, равного 0,45).

Формула изобретения

Устройство для контроля толщины кристаллических пластин в процессе доводки по авт.св. № 813133, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля, оно снабжено интерференционно-поляризационным фильтром, установленным в монохроматоре перед диспергирующим элементом и выполненным в виде двух поляризаторов и размещенных между ними эталонных кристаллических пластин одинаковой толщины, вырезанных из одного материала, количество m которых и толщина d каждой из них определены из соотношений

m

2,9 Ум/Т

мпф i

2 9 А 41 - )-1

и m Mo

где М - заданное увеличение светосилы монохромера; С цпф коэффициент пропускания инРедактор Л. Пчолинская

Составитель С. Грачев Техред Т.Бугренкова

Заказ 2534/41

Тираж 684

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

IO

0

5

терференционно-поляризаци- онного фильтра; Л0 - длина волны излучения при

контроле;

0 - показатель двойного лучепреломления материала кристаллических пластин; й заданная монохроматичность

излучения,

при этом углы w и между главными сечениями пластин и главным направлением поляризаторов определяются из соотношений

щ w w + n d при n i - + 1;

wn w ъ-л + (m-n+2) А при n - + 1 ,

21 где A,- -7--2JJ- при т-четное число;

j - 21

dir (т+ТХтТз) ПРИ m нечетное

число;

n - порядковый номер пластины, а ширина входной и выходной щелей монохрома гора

1 -/M/ Hn - CdA/dl),

30

где dA/dl - обратная линейнзя дисперсия монохроматора.

, .Д

Л0J

/идА

а

дг

ле

(Г

Фиг.з

Корректор М.Холаннч

Подписное