Спектрометр для измерения коэффициентов отражения Советский патент 1982 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к технической (5 13ике и может быть использовано при создании приборов для иссле дования физических свойств и химичес кого состава тонких сильно поглощающих слоев по спектрам отражения. Известны различные варианты спект рометров для измерения коэффициентов отражения, например, при внешнем отражении (т.е. отражении на границе исследуемая среда - воздух)Г13. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спектрометр, выполненный на основе спектрофотометра ИКС-1 и приставки НПВО, содержащий осветитель, проекционный объектив, держатель образца, коллимирующий объектив, изготовленны из материала с высоким показателем преломления и установленный перед держателем образца монохроматор, рас положенный за проекционным объективом, и приемник излучения, установленный за монохроматором. В спект рометре коллимирующий объектив в форме полуцилиндра, выполняющий функцию элемента НПВО, закреплен неподвижно относительно плоскости.образованной пересечением оптических осей осветителя и проекционного объектива 2. Существенным недостатком данного прибора является ограниченность аналитических возможностей при исследовании веществ в виде тонких сильнопоглощающих слоев. Актуальной проблемой при изучении подобных объектов является получение на основе количественных измерений спектров отражения точных и сопоставимых данных о свойствах и составе как поверхностных слоев толщиной 6,1-1 мкм, так и более глубоких подповерхностных слоев толщиной до нескольких мкм. Однако при использовании спектрометров НПВО глубина d проникновения излучения в вещество очень мала. Это не позволяет получать с помощью известных типовых

спектрометров НПВО информацию о свойствах глубинных слоев, что ограничивает их аналитические возможности.

Цель изобретения - расширение аналитических возможностей спектрометров при изучении свойств и состава тонких слоев по спектральным коэффициентам отражения.

Поставленная цель достигается . благодаря тому, что спектрометр для измерения коэффициентов отражения, содержащий осветитель, проекционный объектив, держатель образца, коллимирующий объектив, изготовленный из материала с высоким показателем преломления и установленный перед держателем образца монохроматор, расположенный за проекционным объективом, И приемник излучения, снабжен каретНой, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси севе тителя, столиком, подвижным в направлении оптической оси проекщ нного объектива и приводом, входные, звенья которого связаны с кареткой и столиком, при этом осветитель занбреплен на каретке, причем каретка и держатель образца расположены на столике, а коллимирующий объектив выполнен подвижным в направлении, перпендикулярном плоскости,образованной оптическими осями осветителя и коллимирующего объектива.

На фиг. 1 схематично показан спектрометр для измерения коэффициентов отражения, разрез; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг. 3 вид А на фиг. 1.

Основными оптическими системами являются осветитель, изображенный в виде источника 1 излучения и линзы 2 проекционный объектив 3, коллимирующий объектив 4 (элемент НПВО), изготовленныйиз материала с высоким показателем преломления и установленный вблизи точки О пересечения оптических осей 00/ осветителя и 00(2 (фиг. 2) проекционного объектива, монохроматор 5, расположенный за проекционным объективом 3s и приемник 6 излучения, установленный на выходе монохроматора 5. Держатель 7 исследуемого образца (ИО) расположен позади коллимирующего объектива k,

Осветители 1 и 2 закреплены на каретке 8, установленной на платформе 9, которая является частью столика 10, и, как и ось 11 столика может поворачиваться вокруг вертикальной

оси., С осью 11 столика 10 жестко связан держатель 7 образца. Столик 10 выполнен подвижным относительно корпуса 12 спектрометра в направлении

оси OQi проекционного объектива 3, тогда как каретка 8 имеет возможность перемещения относительно платформы 9 в направлении оптической оси 00 осветителей 1 и 2,

В спектрометре имеется привод, содержащий вал 13, Подшипники Ik смонтированы на кронштейне 15, который укреплен на цилиндрических направляющих 16, выполненных как одно целое с столиком 10.

На валу 13 закреплены кулачок 1 фокусировки и кулачок 18 подъема образца (фиг. 3). Кулачок 18 подъема образца через контактный элемент 19 взаимодействует с осью 11 столика 10, а кулачок 17 фокусировки через шток 20 - с подпружиненной втулкой 21 установленной на цилиндрических направляющих 16. С боковой поверхностью подпружиненной втулки 21 взаимодействуют контактные элементы 22 и 23 связанные с корпусом 12 и кареткой 8 соответственно. В приводе имеются также элементы для поворота плат формы 9 и оси 11 столики 10 и упругие элементы для обеспечения силового замыкания между соответствующими деталями спектрометра. Выходными звеньями привода являются подпружиненная втулка 21, связанная с столиком 10, и контактный элемент 23, связанный с кареткой 8.

Спектро)етр работает следующим образом.

Поворотом вала 13 спектрсэметр устанавливается в исходное положение, в котором фокальные точки F и F« осветителя и проектного объектива (фиг. 2) находятся на равном расстоянии от точки О, совпадая с фокальными точками коллимирующего объектива /4. Исследуемый образец устанавливается на оптический контакт с коллимирую щим объективом l и закрепляется в держателе 7 образца таким образом, чтобы точка О совместилась с исследуемой поверхностью. Излучение от осветителей 1 и 2 направляется коллимирующим

объективом А на образец. Излучение, отраженное от ИО за счет эффекта НПВО, направляется коллимирующим объективом k на вход монохроматора 5. которыи выделяет в спектре отраженног излучения узкий спектральный интервал. Интенсивность излучения в этом интервале измеряется приемником 6. с -43e,.n4n -sin 94 4J/A) угол падения излучения на И волновое число; X - коэффициент поглощения ИО; f, соответственно показатели преломления ИО и вещества, находяще гося с ним в оптическом контакте (в данном случае - материала коллимирукмцего объектива). Из формулы видно, что значение d можно в определенных пределах варьировать изменением величины угла 9. Для этого достаточно осуществить поворот держателя 7 образца на заданный угол с одновременным поворотом платформы 9 с кареткой 8 и осветителями 1 и 2 на удвоенный угол вокруг вертикальной оси. После окончания измерений коэффициента НПВО приводится во вращение вал 13 с кулачком 17 фокусировки и кулачком подъема образца 18. При повороте кулачка 17 фокусиров ки подпружиненная втулка 21 под воздействием упругого элемента 26 начинает опускаться. В результате взаимо действия конической поверхности втул ки 21 с закрепленным контактным элементом 22 столик 10 с всеми закрепленными на нем деталями, т.е, с держателем 7 образца, платформой 9 с кареткой 8 и осветителем 12, начинает перемещаться вдоль оптической оси ООо проекционного объектива 3, Одновременно поступательное движение подпружиненной втулки 21 через контактный элемент 23 преобразовывается в поступательное перемещение каретки 8 с осветителями 1 и 2 вдоль его оптической оси 00. При подходе контактных элементов 22 и 23 к концу конического участка на подпружиненной втулке 21 фокальные точки F и F осветителей 1 и 2 и проекционного объектива совместятся с точкой 0. При дальнейшем опускании подпружиненной втулки 21 столик 10 и каретка 9 сохраняют свое положение. На этом участ ке поворота вала 13 в результате взаимодействия с кулачком 18 подъема образца происходит опускание оси 11 959 Коэффициент НПВО характеризует свойство поверхностных слоев. Глубина проникновения излучения в ИО определяется выражением. .sinie) столика 10 вместе с держателем 7 образца коллимирующим объективом , который за счет этого выводится из хода лучей. В результате на вход монохроматоРэ 5 поступает излучение, испытавшее внешнее отражение на границе воздух - ИО, Как следует из формулы, в этом случае за счет уменьшения значения п до 1 происходит скачкообразное возрастание величины Д , т.е. спектрометр дает информацию о слоях, лежащих на глубине большей 1 мкм. При дальнейшем повороте вала 13 спектрометр возвращается в исходное положение, соответствующее измерению коэффициента НПВО, Следовательно в спектрометре обеспечивается простой и удобный переход от измерений внешнего отражения к измерению HfiBO и наоборот, т,е, имеется возможность получения информации о различных слоях вещества. Поскольку этот переход осуществляется без изменения углов падения и отражения, без снятия образца использованием тех же самых оптических систем осветителя и проекционного объектива, предлагаемый спектрометр обеспечивает при прочих равных условиях более высокую томность измерений, чем отдельно взятые спектрометры НПВО и внешнего отражения. Возможность измерения внешнего отражения и НПВО при одной установке образца способствует также повышению производительности измерений,особенно, если измерения проводятся в условиях вакуума. Кроме того, в устройстве можно предусмотреть подключение вала 13 к-приводу сканирования спектра (не изображен), В этом случае при соответствующем выборе угла наклона образующей конической поверхности втулки подпружиненной 21 и профиля куачка 17 фокусировки сканирование спектра НПВО сопровождается синхроным перемещением осветителей 1 и 2 проекционного объектива 3 по зако- у, обеспечивающему компенсацию хроматизма положения. Этим достигается повышение точности измерений/ Формула изобретения Спектрометр для измерения коэффициентов отражения, содержащий оптически связанные осветитель, проекцио ный объектив, держатель образца, кол лимирующий объектив,изготовленный и материала с высоким показателем преломления и установленный перед держателем образца, монохроматор, расположенный за проекционным объективо ц приемник излучения, установленный на выходе монохроматора, отлича ющийся тем, что, с целью расширения аналитических возможностей, он снабжен кареткой, установленной с возможностью перемещения вдоль оптической оси осветителя, столиком, подвижным в направлении оптической оси проекционного объектива, и приводом, входные звенья которого связаны с кареткой и столиком, при этом осветитель закреплен на каретке, а каретка и держатель образца расположены на столике, коллимирующий объектив выполнен подвижным в направлении, перпендикулярном к плоскости, образованной оптическими осями осветителя и коллимирующего объектива. Источники информации. принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3687519, кл. G 01 J , опублик. 1972. 2.Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М., Мир, 1970, с. 30i, 307.

10 s

фиг2

/.