Способ определения параметров шероховатости поверхности изделия и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к измеритель-- ной технике, а именно к способам и устройствам измерения субмикронной шероховатости поверхности, а также к оптике.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения параметров шероховатости поверхности, заключающийся в том, что на основе контролируемого образца (поверхности) создается путем нанесения диэлектрических слоев планарный волновод (ПВ). Введенный через оптический элемент связи в волновод свет, распространяясь, рассеивается на шероховатостях контролируемой поверхности. Внутриволноводная часть

рассеянного излучения наблюдается в виде углового распределения света. В одномодо- вом волноводе наблюдается только один конус рассеянного излучения. Выражение для относительных потерь мощности водновод- ной моды на рассеяние на шероховатостях контролируемой поверхности позволяет определять по измеренному энергетическому .спектру статистические характеристики шероховатой поверхности.

Недостатком известного способа является низкая точность определения и недостаточная информативность. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения параметров шероховатости поверхности, содержащее источник и приемник излучения, контролируемую поверхность с устанавливаемым на нее через две диэлектрические пленки оптическим элементом связи, приемный блок для фотометрирова- ния рассеянного излучения, приемный блок для измерения зеркальной составляющей отраженного излучения, блок сравнения и блок регистрации. Диэлектрические пленки на контролируемой поверхности выполняют функции соответственно несущего слоя и слоя связи. По кривой на ленте блока регистрации судят о структуре шероховатости контролируемой поверхности.

Недостатком известного устройства является низкая точность определения и недостаточная информативность.

Целью изобретения является повышение точности определения и расширение информативности за счет использования многомодового волновода, регистрации углового распределения интенсивности рассеянного излучения, а также за счет определения параметров шероховатости: пространственного периода, амплитуды гармонических составляющих и средне- квадратичного отклонения поверхности от плоскости.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для определения параметров шероховатости поверхности; на фиг.2 - то же, вид сверху.

Устройство содержит источник 1 излучения, поляризатор 2, фокусирующую систему 3, первый оптический элемент 4 связи (призма), диэлектрический слой 5, второй оптический элемент 6 связи, выполненный в виде плоского полукруга радиуса RL третий оптический элемент 7 связи, выполнен- ный в виде полусферы с плоским основанием радиуса R2 первый слой 8 иммерсии, второй слой 9 иммерсии, первый приемник 10 излучения, второй приемник 11 излучения, переключатель 12 (коммутатор сигналов приемников 10 и 11 излучения, дифференциальный усилитель 13 сигналов приемников 10 и 11 излучения, логарифмический усилитель 14 сигналов приемников

10 и 11 излучения, блок 15 регистрации, переключатель 16 (коммутатор), обеспечивающий подключение к блоку 15 усилителей 13 или 14, осциллограф 17, диафрагму 18, экран 19. Элемент 6 связи имеет радиус RI

0 такой, что 2Ri S L, где L - длина контролируемого образца, обозначенного индексом 20. Элемент 7 имеет радиус Ra такой, что 2R2 D, где D - ширина контролируемо образца 20. Индексом 21 обозначена конт5 ролируемая поверхность. Диэлектрический слой 5 и контролируемый образец 20 образуют многомодовый планарный волновод (ПВ) 22. XYZ - трехмерная декартова система координат. Плоскость YZ совпадает с плоскостью контролируемой поверхности

0 21. Плоскость XZ совпадает с одной из плоскостей при угле р 0, перпендикулярных, как и XZ, плоскости YZ. Для примера на фиг.2 показан вид сверху трех таких плоскостей для трех углов , tpi и р з. На фиг.2

5 показан вид на устройство (фиг.1) сверху, включающий элементы 4-10, 20-22 и поясняющий взаимное расположение этих элементов. Нормаль к контролируемой поверхности обозначена символом г на

0 фиг.1, а на фиг.2 - символически точкой в центре основания элемента 7, При этом нормаль rf параллельна оси X, т.е. п||Х и может быть расположена в любой точке контролируемой поверхности 21.

5 Способ осуществляется с помощью устройства следующим образом.

Излучение от источника 1 после прохождения поляризатора 2 и фокусировки системой 3 через элемент 4 связи и

0 диэлектрический слой 5 направляется на контролируемую поверхность 21. Подстройкой угла наклона источника 1 к поверхности 21 по максимуму интенсивности отраженного от передней грани элемента 4 связи излу5 чения добиваются резонанса. При этом в планарном волноводе 22 возбуждается вол- новодная мода, которая при своем распространении (зондирование поверхности) рассеивается на шероховатостях контроли0 руемой поверхности 21.

Рассеянное в плоскости контролируемой поверхности YZ излучение после вывода в воздух через второй слой 9 иммерсии с помощью оптического элемента 7 связи

5 регистрируется в виде углового распределения интенсивности (по углу р в плоскости YZ) первым приемником 10 излучения. Излучение, рассеянное в плоскостях, перпен- ч

дикулярных плоскости контролируемой поверхности 21 (например, в плоскостях, обозначенных ЈМ, , включая и плоскость XZ на фиг.2), частично проходит через диэлектрический слой 5, слой 8 иммерсии и через элемент 7 выводится в воздух, где регистрируется в виде УГЛОВОГО распределения интенсивности (по углу в в плоскости XZ) первым приемником 10 излучения. А частично проходит через контролируемый образец 20, первый слой 8 иммерсии и через элемент 6 связи выводится в воздух, где также регистрируется в виде углового распределения интенсивности вторым приемником 11 излучения. Второй приемник 11 излучения регистрирует излучение подлож- ко-покровных мод рассеяния, а первый - как излучение мод внутриволноводного рассеяния, так и покровных мод рассеяния. Сигналы с приемников 10 и 11 излучения поступают поочередно через переключа- тель 12 для соответствующего усиления дифференциальным усилителем 13. Затем они поступают через переключатель 16 на блок 15 регистрации. Для получения регистрируемых зависимостей в логарифмиче- ском масштабе или обеспечения режима логарифмического усиления сигналов используется логарифмический усилитель 14. Осциллограф 17 используется для визуализации процессов настройки устройства и самого процесса измерений, позволяет их оптимизировать. Диафрагма 18 и экран 19 обеспечивают необходимые условия измерений.

Регистрация зависимостей-угловых рас- пределений интенсивности излучения, рассеянногонашероховатостяхконтролируемой поверхности, позволяет определять основные параметры шероховатости: двумерную функцию спектральной плотности, среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости, амплитуды гармоничных составляющих спектра шероховатостей поверхности и пространственные пермоды шероховатостей. Определяют двумерную функцию спектральной плотности (ФСП) шероховатости поверхности из выражения

LAP (р)/Р YZ ATE Фш(Ј, щ , (1)

где А Р(р) - регистрируемая интенсивность (мощность) рассеянного под углом излучения в телесный угол Д0,Д в плоскости параллельной плоскости контролируемой поверхности; в,р - полярный и азимутальный углы соответственно: Р - интенсивность (мощность) падающего излучения; Фш

-двумерная функция спектральной плотности шероховатостей; АТе - предварительно рассчитанный коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров ПВ, условий измерений и длины волны падающего излучения. По нормированной зависимости ФСП определяют амплитуды гармонических Хк - составляющих спектра шероховатостей поверхности из выражения

Ак Фш(|,7)ДКуг,

(2)

где Д KYZ - определяется угловыми размерами апертуры приемник излучения и определяет разрешение по пространственным периодам шероховатостей в плоскости поверхности. Среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости определяют интегрированием графической зависимости Фш(Ј i tj) в пределах всех углов рассеяния в соответствующей плоскости. Пространственные периоды AYZ определяют, зная соответствующие параметры ПВ и характерные углы рассеяния / соответственно.Используявыражение, характеризующее угловое распределение интенсивности в перпендикулярных к плоскости поверхности плоскостях

Ltp/p М9,

z coa beJtXuScos- eyrap

V

Ии(иЫч,

ч

(У)

определяют аналогичные параметры шероховатости, характеризующие ее в этих плоскостях. В (3) д - это относительная разность показателей преломления сред, образующих ПВ, а Ј,;/- пространственные частоты ФСП.

Формула изобретения 1.Способ определения параметров шероховатости поверхности изделия, заключающийся в том, что возбуждают пленарный волновод когерентным излучением, регистрируют интенсивность падающего на исследуемую поверхность излучения и угловое распределение интенсивности рассеянного от исследуемой поверхности излучения, по ним находят двумерную функцию спектральной плотности шероховатости, по которой определяют параметры шероховатости: пространственный период, амплитуды гармонических составляющих и среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения и информативности, в качестве планарного

волновода используют многомодовый волновод, а регистрацию интенсивности падающего на поверхность излучения и регистрацию углового распределения интенсивности рассеянного от поверхности излучения производят для каждой моды волновода под соответствующими углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падения излучения.

2.Устройство для определения параметров шероховатости поверхности изделия, содержащее источник и приемник излучения, диэлектрический слой, предназначенный для образования с контролируемой поверхностью, оптический элемент связи, предназначенный для оптического сопряжения через диэлектрический слой с конт0

5

ролируемой поверхностью, и блоки усиления и регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено вторым оптически прозрачным элементом связи, выполненным в виде плоского полукруга и предназначенным для связи через первый слой иммерсии с контролируемым изделием, третьим оптически прозрачным элементом связи, выпол- ненным в виде полусферы и предназначенным для связи через второй слой иммерсии с диэлектрическим слоем, вторым приемником излучения и блоком обработки в виде логарифмического усилителя, вход которого подключен к приемникам излучения, выход - к блоку регистрации, а пленарный волновод выполнен многомодо- вым.

Изобретение относится к измерительной технике; в частности к способам и устройствам для измерения субмикронной шероховатости поверхности. Цель изобретения - повышение точности определения и информативности за счет того; что при возбуждении пленарного волновода когерентным излучением используют многомодовый волновод, а регистрацию интенсивности рассеянного от поверхности излучения производят под разными углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падения излучения, а также за счет определения параметров шероховатости: пространственного периода, амплитуды гармонических составляющих и среднеквадратичного отклонения поверхности от плоскости. Способ заключается в том, что возбуждают планарный волновод когерентным излучением, регистрируют интенсивность падающего на исследуемую поверхность излучения и угловое распределение интенсивности рассеянного от исследуемой поверхности излучения, по ним находят двумерную функцию спектральной плотности шероховатости, по которой определяют параметры шероховатости: пространственный период, амплитуды гармонических составляющих и среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости. При возбуждении используют многомодовый волновод, а регистрацию интенсивности падающего на поверхность из- лучения и регистрацию углового распределения интенсивности рассеянного от поверхности излучения производят под разными углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падения излучения. 2 с.п.ф-лы, 2 ил. сл с х| О О СО СП 00.

/

,

Фиг.1

f