Способ определения вероятностных свойств рельефа шероховатых поверхностей

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ ИАЛИСТИ ЕСКИХПУБЛИК)5 О 01 й ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) НОЕ ЕТЕНИ оватость поверхностный подход. шуких ола теИЯ ВЕРОЯТНОФА ШЕРОХОВАИзобрете контактных о шероховатых использовано хностей детал ботки в маш приборострое ния фазовых дуляторов све Известен спосо ных свойств рельеф ностей, заключа профиля поверхнос ПИСАНИЕ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Хусу А.П. и др. Шерохностей: теоретико-вероятМ.: Наука, 1975, с, 115.Елизарова Е.В. и др. Собственные мы органических фототермопластичес регистрирующих сред, - И Всесоюз, шк по оптической обработке информации: зиса докладов. Минск, ИТК АН БССР, 1982, ч. 2, с. 261 - 262.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНСТНЫХ СВОЙСТВ РЕЛЬЕТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ 57) Использование; техника бесконтактны птических измерений свойств шерохова ых поверхностей, контроль качества повер ностей в машиностроении, оптическо ние относится к технике бесптических измерений свойств поверхностей и может быть для контроля качества поверей после механической обраиностроении и оптическом нии, а так же для исследовашумов пространственных мота,б исследования вероята шероховатых поверхющийся в измерении ти с помощью профилогприборостроении, микроэлектронике, а также исследование фазовых шумов пространственных ых модуляторов света. Сущность изобретения; исследуемую поверхность освещает монохроматической сходящейся волной, измеряют рассеянный световой поток Р 1 и световой поток Ро, оставшийся нерассеянным, причем измерения проводят для не менее чем двух длин волн А освещающего светового пучка, после чего строят кривую модуля характеристической функции О, определяя значение О из уравнения///( (/:ь//,/(/, +/,1 ствующее значение аргумента характеристической функции а из уравненияа =4 лгЯ, если измерения приводят пу- ) тем отражения световой волны от поверхности испытуемого образца, или а = 27 г(и)/А, если измерения проводят путемпропускания световой волны через прозрачный испытуемый образец с показателем преломления и. 3 ил,рафа, преобразования полученных отсчетов в цифровую форму с последующим построением гистограмм распределения плотности вероятности рельефа поверхности с помощью ЭВМ.Недостаток этого способа заключается в его сложности и больших затратах времени, включающих время на измерение профилограмм и машинное время, затрачиваемое на построение гистограмм. В особенности этот недостаток проявления, когда необходимо исследовать свойства рельефа поверхности, как функции двух пространственных координат, а не только на некоторой линии на(2) а =2 (и)/Л,(3) поверхности, вдоль которой измерена профилограмма.Наиболее близким по технической сущности является способ определения вероятностных свойств рельефа шероховатой поверхности, в частности уровня фазовых шумов фототермопластических носителей информации, заключающийся в освещении исследуемого образца сходящейся моно- хроматической сферической волной, измерении светового потока Р 1, рассеянного при прохождении через исследуемый образец, и нерассеянного светового потока Р, и вычислении дисперсии цполя фазовых флуктуаций по формуле Используя соотношение между дисперсией о, поля фазовых флуктуаций и дисперсией оп поля деформации2поверхности где Л - длина волны зондирующего излучения;и - показатель преломления исследуемого образца,можно определить среднеквадратическое значение деформаций поверхности а- 1 и ( 1 + Р 1/Р О ) . Л Данный способ позволяет измерить усредненное по некоторой (освещаемой) области поверхности исследуемого образца значение величины деформации при условии, если известно, что профиль поверхности имеет. гауссову плотность вероятности,Целью изобретения является дополнительное определение характеристической функции рельефа шероховатостей поверхности,На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа определения вероятностных свойств рельефа шероховатых поверхностей, соответствующая случаю проведения измерений путем отражения световой волны от исследуемой поверхности; на фиг.2 - схема устройства, соответствующая случаю проведения измерений путем пропускания световой волны через испытуемый образец; на фиг,3 - график расчетной характеристической функции 0(а) образца с бинарным рельефом(сплошная кривая) и экспериментальные данные(показаны кружочками), полученные согласно данному способу.Устройство состоит из источника 1 бело го света, конденсора 2, диафрагмы 3. объектива 4, монохроматора 5, Фурье-объектива 6, испытуемого образца 7, зеркала 8 с отверстием в центральной части, фотоприемника 9 для измерения нерассеян ного светового потока, объектива 10 и фотоприемника 11, измеряющего рассеянный световой поток.Способ реализуется следующим образом.15 Сходящаяся волна монохроматическогосвета от источника 1, сформированная с помощью конденсора 2, диафрагмы 3, монохроматора 5 и объективов 4 и б, освещает испытуемый образец 7. При отражении от 20 образца 7 (или при прохождении через образец) световая волна претерпевает случайные фазовые возмущения, которые можно описать с помощью комплексного коэффициента отражения т(х,у) (вропускания) испы туемого образца 7. где п(х, у) - случайный рельеф испытуемой 30 поверхности;) - мнимая единица;а - коэффициент пропускания, при испытании на отражение а при испытании на пропускание 40где Л- длина волны освещающего излученияи - показатель преломления испытуемого образца.45 Среднее значение комплексного коэффициента отраженият (х, у) (илит) вобщем случае отлично от нуля, поэтомуэнергетический спектр Ц их. юу )случайной функции (1) имеет вид 50(х,у)=2д(Рх, Ру)+6 (Ух, Ру), (4) где ух, уу - пространственная частота;т- статическое среднее поле т(х, у);д (х, Р у ) - дельта-функция;6 (Мх,Ру) - флуктуационная компо-нента энергетического спектра.(7) 35 40 45 50 55 Множитель перед д (их, у) в выражении (4) означает относительную долю не- рассеянного света в общем световом потоке отраженном (прошедшем) от испытуемого образца. Тогда если Р, Ро и Р 1 - соответственно отраженный (прошедший), нерассеянный и рассеянный световые потоки, можно записать, что С другой стороны среднее значение функции (х, у) по определению может быть записано в следующем виде1 = .Г ехр(-3 а з о) (Ь)б Ь. где и) (Ь) - плотность вероятности случайного рельефа Цх, у) поверхности испытуемого образца.Из (6) видно, что1как функция параметра а представляет собой преобразование Фурье от плотности вероятности в (Ь), то есть характеристическую функцию Таким образом, для определения модуля характеристической функции измеряют световой поток Р, которому пропорционален выходной сигнал фотоприемника 9, на вход которого поступает нерассеянная световая волна, прошедшая через отверстие в зеркале 8, которое расположено в точке схода освещающей световой волны, Кроме этого измеряют рассеянный световой поток Р 1, которому пропорционален выходной сигнал . фотоприемника 11, на входе которого обьективом 10 собирается отраженная от зеркала 8 рассеянная на испытуемом образце световая волна. После чего значение модуля характеристической функции, учитывая (7) и (5), вычисляется по формуле0(а)=уР, / ( Р 1+ Ро). а соответствующий ему аргумент соответственно по формуле (2) или (3). Для получения остальных точек характеристической функции повторяют измерения и вычисления при других значениях длин волн осяегценности излученияСпособ определения вероятностных свойств рельефа шероховатых поверхностей проверяли при определении характеристической функции кварцевой пластинки с вытравленным бинарным (прямоугольным) рельефом поверхности. Рельеф Ь такой поверхности является одной иэ возможных 10, реализаций случайного поля, принимающего значения Ьо и -Ьо с равной вероятностью,Тогда плотность вероятности о) (Ь) испытуемого рельефа имеет вид д = - о (и-по)+ - д (ью.), 1 1 2 2 где д (Ь-Ьо), д (и+Ьо) - дельта-функции,а соответствующая характеристическаяфункция0(а)=сов(2 лВъ.а) (8) Для экспериментального определения характеристической функции использовали устройство по схеме фиг.2. В качестве монохроматора использовали модерниэировэнный монохроматор от спектрофотометра СФ - 26. Модернизация заключалась в замене источника излучения на галогенную лампу мощностью 100 Вт, установка дополнительной конденсорной линзы и ди. афрагмы, пропускающей лишь небольшую часть изображения спирали лампы. В качестве фотоприемников использовали фотоприемники, входящие в комплект Сф - 26.Результаты измерений приведены на фиг.З,где таске показана рассчитанная по (8) кривая модуля характеристической функции. Способ отличается от известных тем,что позволяет бесконтактно и быстро получать данные о характеристической функции (следовательно и о распределении плотности вероятности) рельефа шероховатой поверхности, причем характеристическая функция определяется сразу для некоторой двумерной области шероховатой поверхности, которая освещается световой волной, а не для ограниченной выборки рельефа поверхности вдоль линии, по которой измерена профилограмма. Способ не требует затрат машинного времени и может быть использован при контроле качества обработанных поверхностей в машиностроени и, оптическом приборостроении,. контроле качества подложек в микроэлектронике, а также для исследования фазовых шумов пространственных модуляторов света,