Способ измерения рельефа поверхности Советский патент 1992 года по МПК G01B21/30 

Изобретение относится к оптике, а именно к оптическим методам измерения рельефа поверхности, и может быть использовано в технологических процессах при построении профилометрических систем контроля.

Известен способ измерения микронеровностей поверхности, заключающийся в смешении опорного лазерного пучка и предметного лазерного пучка, многократно отраженного от контролируемой поверхности, путем пространственного разделения лучей предметного лазерного пучка, испытавших различное число отражений от контролируемой поверхности, регистрации картины интерференции опорного и предметного пучков и определения микронеровностей поверхности по зарегистирированной картине. Недостатком данного способа является ограниченная область применения, обусловленная принципиальной невозможностью осуществить измерение рельефа с нерегулярными неоднородностями.

Известен также способ измерения рельефа поверхности, заключающийся в смешении опорного лазерного пучка и предметного лазерного пучка, многократно

отраженного от контролируемой поверхности (причем смешение достигается в результате восстановления двухэкспозиционной голограммы), регистрации картины интерференции опорного и предметного пучков путем согласования оптической длины пути опорного лазерного пучка и предметного лазерного пучка, испытавшим заданное число отражений от контролируемой поверхности, с длиной когерентного лазерного излучения и определения рельефа поверхности по зарегистрированной картине.

Данный способ имеет широкую область применения, так как позволяет измерять рельефы с любой пространственной конфигурацией микронеройностей. Однако его недостатками являются низкая точность, обусловленная малой дифракционной эффективностью восстановления голограммы, а также фоновой засветкой регистрируемой картины интерференции; низкая чувствительность, обусловленная принципиальной невозможностью достижения высоких значений кратности усиления фазовых неоднородностей, вследствие жесткого ограничения на величину оптической длины пути опорного лазерного пучка и предмет(/)

С

XI

сл сл о сл о

ного лазерного пучка, испытавшим заданное число отражений от контролируемой поверхности из-за фиксированного значения лины когерентности лазерного излучения.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности метода измерения рельефа поверхности,

Поставленная цель достигается способом измерения рельефа поверхности, заключающимся в смешении опорного азерного пучкЧ и предметного лазерного пучка, многокрйт о отраженного от контролируемой поверхности, регистрации картины интерференции опорного и предметного пучков и определении рельефа поверхности по зарегистрированной картине, причем опорный и предметный пучки формируют в виде импульсов, длительность которых не превосходит времени между двумя послеовательными отражениями предметного пучка от контролируемой поверхности, а регистрацию картины интерференции осуществляют в моменты времени, соответствующие смешению импульса опорного пучка с импульсом предметного пучка.

На фиг.1 представлена бйок-схема сисемы, реализующей данный способ; на иг.2 - временные диаграммы работы сисемы.

Система содержит лазер 1 с блоком ормирования коротких импульсов, а также расположенные на одной оптической оси с ним телескопический расширитель, состоящий из микрообъектива 2, микродиафрагмы и коллимирующей линзы А, кроме того ветоделителей 5 и 6 и резонатора,состояего из светоделителя 7,и..отражающего бъекта 8, рельеф поверхности которого и подлежит измерению. Светоделитель б оптически связан с эталонным зеркалом 9, а светоделитель 5 оптически связан с электрооптическим затвором (ЭОЗ) 10, регистратором 11, а также линзой 12 и фотоприемником 13, который в свою очередь электрически связан с цепью: генератор импульсов 14 - генератор временных сдвигов 15 - усилитель напряжения 16 - ЭОЗ 10.

В качестве лазера 1 с блоком формирования коротких импульсов в экспериментальном стенде использован серийно выпускаемый пикосекундный лазер МГУ- НПП Алькор, YAGUAR.

Оптические элементы 2,3,4,12 использованы из набора оптики серийной установки УИГ-22. М. В качестве ЭОЗ 10 испопьзована стандартная ячейка Керра. Регистратором 11 может служить бытовой зеркальный фотоаппарат типа Зенит-12 СД иди обычный матовый экрчн Фотоприемником 13 может служить быстродействующий фотодиод ФД-256, входящий в комплект лазера 1 типа YAGUAR. Генератор импульсов 14, генератор временных сдвигов 15 - серийные приборы типа Г5-72, И1- 8 соответственно. В качестве усилителя 16 может быть использована стандартная ключевая схема.

Коэффициенты отражения еветоделителей 5, 6 и 7, а также эталонного зеркала 9 рассчитываются из условия равенства ин- тенсивностей на регистраторе 11 предметного и опорного лазерного импульсов и определяются по заданному числу отражений от объекта. В экспериментальном стенде для пяти отражений от объекта коэффициенты отражения светоделителей 5, б и 7 составляют 0,5; 0,1 и 0,45 соответственно, величины которых формируются путем вакуумного напыления по стандартной технологии. Эталонное зеркало 9 имеет коэффициент отражения порядка 0,98 и подобрано из комплекта металлических зеркал, прилагаемых к установке УИГ-22 М. Расстояние между светоделителем 7 и отражающим объектом 8 в изготавливаемом экспериментальном стенде составляет 4 мм.

Способ реализуется следующим образом.

Лазер 1 с блоком формирования коротких импульсов генерирует излучение в им- пульсно-периодическом режиме, причем

длительность лазерного импульса меньше, чем время затрачиваемое им на осуществление двух последовательных отражений от контролируемой поверхности. Время, затрачиваемое лазерным импульсом на осуществление двух последовательных отражений от контролируемой поверхности, определяется временем полного прохода резонатора 7,8 и рассчитывается по формуле

гпр 2 L/C,

где С 3x108 м/с - скорость света (фиг.1).

В экспериментальном стенде L 4 см и время одного прохода составляет гпр 0,3 не. Число отражений от объекта 8 в экспериментальном стенде установлено равным пяти. Следовательно, время, за которое лазерный импульс совершит пять полных проходов резонатора 7, 8, будет составлять tnpz 5 Гпр 1,5 нс.Длитель- ность цуга импульсов излучения лазера YAGUAR в режиме синхронизации мод с

одновременной модуляцией добротности составляет стабильную величину Т 4 не. В каждом цуге излучается пять пикосекунд- ных импульсов с интервалом гп 1 не. Первый импульс цуга, отраженный от светоделителя 5, фокусируется линзой 12 на быстродействующий фотоприемник 13, постоянная времени г которого меньше интервала гп и в экспериментальном стенде составляет г 1 не (фиг.26). Сигнал с фотоприемника 13 поступает на генератор импульсов 14, который формирует синхроимпульс (фиг.2в), поступающий в генератор временных сдвигов 15, осуществляющий сдвиг синхроимпульса на интервал гсдв «Т- гп (фиг.2г). Далее этот импульс поступает на усилитель 16 и сформированный таким образом импульс напряжения открывает ЭОЗ 10 как раз в тот момент времени, когда последний лазерный импульс цуга совершит заданное число отражений or контролируемой поверхности (заданное число проходов по резонатору 7, 8) В экспериментальном стенде тсдв 4 не Таким образом, вс,е импульсы, входящие в цуг излучения лазера 1, кроме последнего, пройдя элементы оптической схемы 2-8, не попадают на регистратор 11, поскольку ЭОЗ 10 закрыт (фиг.2) Последний импульс цуга излучения лазера 1 попадая на телескоп 2-4 расширяется и, пройдя сквозь полупрозрачный светоделитель 5, разделяется светоделителем 6 на опорный лазерный импульс, который попадает на эталонное зеркало 9 и отражается от него, и предметный лазерный импульс, попадающий в резонатор, образованный светоделителем 7 и объектом 8, профиль которого подлежит измерению (фиг.1). Плечи интерферометра И и h согласованы таким образом, чтобы опорный лазерный импульс, отразившись от зеркала 9, встретился на светоделителе 6 с предметным лазерным импульсом, совершившим заданное число отражений от объекта 8 В экспериментальном стенде И и 2 согласованы так, чтобы опорный лазерный импульс встретился на светоделителе 6 с предметным лазерным импульсом, совершившим пять полных проходов по резонатору 7, 8. Результирующая интерференция двух лазерных импульсов, отразившись от полупрозрачного светоделителя 5, падает на ЭОЗ 10 который в этот момент кратковременно открывается (согласно описанной схеме синхронизации) и пропускает ее на регистратор

11. С генерацией следующего цуга излучения лазера 1 работа схемы повторяется Итак, открывание ЭОЗ 10 происходит только в момент, когда интерференционная картина от опорного лазерного импульса и

предметного лазерного импульса, совершившего заданное число отражений от контролируемой поверхности, поступает на регистратор 11. Закрытое состояние ЭОЗ 10 в другие моменты времени позволяет исключить фоновую засветку регистрируемой интерференционной картины от предметных лазерных импульсов, совершивших чис ло отражений от контролируемой поверхности меньшее, чем заданное Заме

тим, чю интенсивность всех предмг.мцт отражений от контролируемой поверхности выше интенсивности заданною отражения Исключение фоновой зассетки регистрир/ емой интерференционнойхартины позвопяет повысить точность и чувствительность измерения профиля поверхности объекта О без привлечения голографических методов регистрации интерференционной картины что актуально при измерениях малых ампл jтуд микронеропностей рельефа поверх о- сти, в частности при визуализации по зй поверхностных акустических волн и т п

Формула изобретения

Способ изменения рельефа поверхности, заключающийся в смешении опорного лазерного пучка и предметного лазерного пучка, многократно отраженного от контролируемой поверхности, регистрации картины интерференции опорного и предметного пучкоо и определений рельефа поверхности по зарегистрированной картине, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности, опорный и предметный

пучки формируют в виде импульсов, дтитель- ность которых не превосходит времени между двумя последовательными отражениями предметного пучка от контролируемой поверхности, а регистрацию картины

интерференции осуществляют в моменты времени, соответствующие смешению импульса опорного пучка с импульсом предметного пучка.

l

Изобретение относится к оптике. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности способа, который заключается в регистрации картины интерференции импульсных опорного пучка и предметного пучка, многократно отраженного от контролируемой поверхности, причем регистрация осуществляется только в момент смешения импульсов пучков. 2 ил.

vs

-ixi-

CM

«V 5;

у

Выходы: