Способ измерения рельефа объектов с шероховатой поверхностью Советский патент 1992 года по МПК G01B11/30 

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для измерения формы шероховатых диэлектрических, металлических и полупроводниковых предметов, что актуально в оптическом и полупроводниковом приборостроении, точной механике, машиностроении и др. отраслях науки и техники.

Известны оптические способы измерения рельефа объектов, основанные на чисто

детерминированном факторе, связанном с тем, что при изменении параметров подсвечивающего объекта излучения набег фазы чр (в) от точки на поверхности объекта до соответствующей точки поля изменяется при малом изменении параметров 0 на величину А, пропорциональную высоте рельефа hp. Так, например, если меняется длина волны

от AI до 2, то А V - 2 jr(Ai - Аа) пр/Д Еели изменяется направление угла подсвета от #1 до QI , то AV (01 3) hp/A..

Недостатком двухпараметрического метода является то, что для его реализации требуется использование двух взаимно когерентных источников. На практике их использовать достаточно трудно из-за необходимости использования высококогерентного излучения, подсвечивающего объект, а также достаточно стабильной установки для получения топограммы (линий равных фаз) исследуемой поверхности. Помимо этого, наличие шероховатостей обуславливает пятнистость когерентного изображения, которая приводит к тому, что контраст топограммы падает до нуля, т.е. точность метода резко падает.

Наиболее близким к изобретению является способ, в котором для определения рельефа поверхности объекта исследуют распределение интенсивности водной реализации когерентного изображения этой поверхности. Однопараметрический метод подразделяется на неоптимальный и оптимальный. В первом случае объект освещают узконаправленным когерентным пучком, затем по рассеянному полю е (определяется угловая ширина рассеянного поверхностью пучка. В соответствии с законами геометрической оптики она приблизительно равна крутизне неровностей у. Далее эта поверхность подсвечивается пучком размером порядка 2 г0 у, где г0 - ожидаемый радиус кривизны поверхности. Зная у, по характеру распределения интенсивности в окрестности изображения максимально яркой точки исследуемой поверхности определяют радиус ее кривизны.

Целью изобретения является повышение точности измерения, а также расширение области его использования за счет возможности измерения рельефа объектов, размеры микронеровностей которых сопоставимы с длиной волны падающего излучения.

Это достигается тем, что задают плоскость колебаний лазерного пучка под углом 45° к плоскости падения, формирование когерентного изображения поверхности объекта производят в двух взаимно перпендикулярных плоскостях регистрации, ортогональных направлению облучения, сканируют полученные изображения. Выделяют зоны корреляции, измеряют распределение азимутов поляризации световых колебаний зон корреляции когерентных изображений и по полученным данным рассчитывают рельеф объекта с шероховатой поверхностью.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предложенный способ для отражающих объектов.

Устройство содержит источник 1 излучения, коллиматор 2, четвертьволновую пластинку 3, поляризатор 4, проекционные объективы 5,6, полевые диафрагмы 7 и 8, магнитооптические ячейки 9 и 10, анализаторы 11 и 12, фотоэлектронные умножители

13 и 14, устройство связи с объектом 15 и 16, миниЭВМ 17, объект 18.

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает излучение одномодового лазера ЛГН-215

(источник излучения 1); коллиматор 2, состоящий из двух объективов и диафрагмы между ними, служит для расширения пучка и формирования волны с плоским волновым фронтом. Пластинка 3 ориентируется таким образом, что ее ось наибольшей скорости

составляет угол 45° с плоскостью поляризации лазерного пучка, что позволяет получить циркулярную поляризацию лазерного пучка. Поляризатор 4 формирует плоскость колебаний световой волны под углом 45° к

плоскости падения. Оптические оси объективов 5 и 6 совпадают с меридиональной и сагиттальной осями. Эти объективы проецируют изображение исследуемого объекта в плоскость полевых диафрагм 7 и 8, за которыми расположены магнитооптические модуляторы 9 и 10 и анализаторы 11 и 12.

Размеры полевых диафрагм выбираются порядка 1/10 части размера зоны корреляции в когерентном изображении

шероховатого объекта. Измерение азимута поляризации световых колебаний осуществляется с помощью системы магнитооптический модулятор 9,10 - анализатор 11, 12: добиваются получения минимального сигнала, что контролируется по удвоению частоты переменного поля, питающего модуляционную катушку модулятора. Затем определяют величину поворота плоскости поляризации световых колебаний выделенной зоны корреляции.

Далее путем сканирования полученных когерентных изображений выделяются новые зоны корреляции в меридиональной и сагиттальной плоскостях и таким образом в памяти устройств связи накапливаются массивы значений поворотов плоскости поляризации в зонах корреляции и статически обрабатываются с помощью миниЭВМ. В

результате получаем информацию о рельефе объекта с шероховатой поверхностью в меридиональном и сагиттальном его сече- ниях. Аналогично можно определять и семейство сагиттальных сечений рельефа объемного тела с шероховатой поверхностью, определяя его форму.

Предлагаемый способ расширяет возможности измерения рельефа объектов с шероховатой поверхностью, микронеровности которых сопоставимы с длиной волны падающего излучения, а также позволяет проводить более точные измерения рельефа, поскольку точность измерения азимута поляризации при помощи магнитооптического модулятора составляет величину порядка нескольких угловых секунд. Следовательно, предлагаемый способ позволяет проводить измерения профиля поверхности шероховатого объекта с аналогичной точностью, что на 4-5 порядков выше точности измерений, достигаемых в прототипе. С этой же точностью осуществляется измерение рельефа шероховатого объекта, размер микронеоднородностей поверхности которого порядка длины волны падающего излучения, что является недостижимым в прототипе.

Формула изобретения Способ измерения рельефа объектов с шероховатой поверхностью, заключающийся в том, что облучают объект когерентным лазерным пучком, формируют когерентное

изображение объекта и рассчитывают рельеф поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, а также расширения области его использования за счет возможности

измерения рельефа объектов, размеры микронеровностей которых сопоставимы с длиной волны падающего излучения, задают плоскость колебаний лазерного пучка под углом 45° к плоскости падения, формирование когерентного изображения поверхности объекта производят в двух взаимно перпендикулярных плоскостях регистрации, ортогональных направлению облучения, сканируют полученные изображения.

выделяют зоны корреляции, измеряют распределение азимутов поляризации световых колебаний зон корреляции когерентных изображений и по полученным данным рассчитывают рельеф объекта с шероховатой

поверхностью.

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для измерения формы шероховатых диэлектрических, металлических и полупроводниковых предметов, что актуально в оптическом и полупроводниковом приборостроении, точной механике, машиностроении и др. отраслях науки и техники. Целью изобретения является повышение точности измерения, а также расширение области его использования за счет возможности измерений рельефа объектов, размеры микронеровностей которых сопоставимы с длиной волны падающего излучения. В способе задают плоскость колебаний лазерного пучка под углом 45° к плоскости падения, формирование когерентного изображения поверхности объекта производят в двух взаимно перпендикулярных плоскостях регистрации, ортогональных направлению облучения, сканируют полученные изображения, выделяют зоны корреляции, измеряют распределение азимутов поляризации световых колебаний зон корреляции когерентных изображений и по полученным данным рассчитывают рельеф объекта с шероховатой поверхностью. 1 ил. (Л С 4 4 N СП