Устройство для измерения профиля показателя преломления и линейных размеров объектов с различными показателями преломления

(51) 4 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 7"Л 4-25(21) (22) (46) (72) иных разм преломленияние наибоУ 25и А.Г.Свиммутатощается и ПРОФИ- ЕЙНЫХ ПОКАность за ный режим еключением олебания даря раэдеи его колеи. 2 ил.(57) Изобретение тельной технике осится к жет быть польОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ 4155950/205.12.8607.07.88.БюлМ.Я.Яковлев535.024 (08Казанне А.Мир, 1984, сторское свид4238, кл, С(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ИРАЗМЕРОВ ОБЬЕКТОВ С РАЗЛИЧНЫМИЗАТЕЛЯМИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ зовано для измерения лин ров и профиля показателя элементов оптики.Изобрет лее:эффективно применять ком приборостроении. Цел чувствительности устройс щение его настройки. Цел ся путем введения в устр нительного фотоприемника ра, нри этом настройка уп увеличивается чувствител счет того, что модуляцио работы обеспечивается пе коммутатора. Паразитные образца исключаются благ лению перемещения образц баний на частоте модуляцИзобретение относится к измери= тельной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении, в частности для измерения линейных5 размеров и профиля показателя преломления оптических волокон и элементов интегральной оптикиЦелью изобретения является увеличение чувствительности и упрощения наст ройки устройства.На фиг,1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - диаграмма работы устройства.Источник 1 через полупрозрачную 15 пластину 2 оптически связан с микро- объективом 3 и,объективом 4. В плоскости изображения микрообъектива 3 расположен исследуемый образец 5, механически соединенный с устройством 20 6 перемещения, а в плоскости изображения объектива 4 расположены фотоприемники 7 и 8. Генератор 9 соединен с коммутатором 1 О, к входам кото. рого подсоединены фотоприемники 8 и 7, 25 причем фотоприемник 7 соединен с низкочастотным усилителем 11. Выход коммутатора 1 О соединен с входом синхронного детектора 12, выход которого, а также выход низкочастотного усилите я 11 соединены с входами делителя 13 11Устройство работает следующим образом.Свет источника 1 излучения, пройя пцлупрозрачиую пластину 2 и микрозбъектив 3, попадает на поверхность исследуемого образца 5, Отраженный вет пропорциональный коэффициентам отражения, а следовательно и пока 40 дателю преломления, регистрируется фотоприемниками 7 и 8, сигналы с которых подаются на коммутатор 1 О, управляемый генератором 9 и обеспечи. фающий коммутацию сигналов с часточ ч45 1 ои Я . Синхронный детектор 12 обесечивает усиление сигнала, пропорионального приращению показателя преломления оп(х). Низкочастотный усилитель 11 обеспечивает усиление в с)порном канале, сигнал которого про 50 г 1 орционален мощности источника излучения 1 и значению показателя преломения п(х), а делитель 13 при сканировании образца 5 посредством устройства 6 перемещения обеспечивает55 измерение профиля производной показадптеля преломления (х), По этим из- и мерениям восстанавливается профиль по каэателя преломления дп(х), а затем по расстоянию между максимумами производной определяются линейные размеры исследуемых образцов.В устройстве используется усовершенствованный метод пространственной модуляционной рефрактометрииМетод используется в основном для измерения профиля показателя пре ломления ( ППП) и линейных размеров оптических волокон (ОВ) и элементов интегральной оптики, При этом типичными являются следующие параметры: максимальное приращение дп щ10 - 10 при исходной величине-й -ьпоказателя преломления и = 1,4; размеры измеряемых областей Д х =1-100 мкм.В основе метода модуляционной рефрактометрии лежит тот факт, что измеряется не прЬфиль отраженного сигнала К(х), а его производная акв в -(х), модулированная на частоте аху, где х в координата исследуемой точки в направлении оптической оси объектива. При этом использование синхронного детектирования (сигнал ЗкЗхмодулируется на частоте и наФ которой и работает синхронный детек" тор) позволяет увеличить пороговую чувствительность измерения З Е идх соответственно крутизну преобразования К(х) после интегрирования пример. но на два порядка.Требования к наилучшему простран- ственному разрешению измерителя приводят к тому, что в устройстве используются микрообъективы с малым фокусным расстоянием и большой апертурой. Это приводит к малой глубине резкости и высокой чувствительности сигнала фотоприемника от расстояния 1 Ь между микрообъективом и исследуемым объектом. Изменение расстояния Ь на 0,1 мкм приводит к изменению сигнала порядкаХ.Следовательно, для максимального использования свойств синхронного детектирования, а именно уменьшения паразитной попе" речной модуляции до величин порядка-4 ч 510 - 10 , необходимо устранить поперечные колебания с величиной ЬЬ0,1 мкм.3 14083Для наилучшего разрешение в методе модуляционной рефрактометрии прииспользовании Не-О 1 е-лазера и фокусировки пучка лазера в пятно с диамет 5ром Й щ 0,9 мкм необходимо обеспечить колебание образца на частоте дс амплитудой ЛЬ0,3.мкм. Поперечные колебания образца с размахомЬЬ ( 0,1 мкм возникают вследствиеконсольности устройства крепленияобразца и из-за невозможности точного совмещения осей поперечных колебаний пьезокерамического преобразователя и оси консоли. При этом обеспечить 15необходимый минимум паразитных затуха"ний чрезвычайно сложно. Условия, прикоторых имеется этот минимум, зависят от многих параметров: конфигурации, способа крепления и типа пьезокерамического преобразователя, конфигурации и способа соединения устройства крепления исследуемого образца, частоты ы, амплитуды Ь Ь, температуры помещения и т.д. При наличии 25паразитных колебаний эти колебанияусиливаются на частоте д синхроннымдетектором и проявляются в виде шума,тем самым увеличивают порог чувствительности измерителя в определении 30ЭКШдхВ устройстве используются преимущества метода пространственной моду"ляционной рефрактометрии: измерениеие коэффициента отражения К(х), аа Кего производнойв -(х) использовад х фние синхронного детектирования дляповышения пороговой чувствительности со снятием основного ограниченияметода - паразитиой поперечной пространственной модуляции образца начастоте иПаразитная пространственная моду". ляция отсутствует, так как в устройстве вообще отсутствуют механическиеколебания на частоте ИПространственная модуляция обеспечивается коммутацией сигналов фотоприемников, каждый из которых просматривает свой участок исследуемогообразца,Фотоприемники 8 и 7 расположены в плоскости изображения оптической системы объектив 4 - микрообъектив Э на расстоянии ь ЬК д Ь,где Ь Ь0,3 мкм; К - коэффициент увеличения оптической системы, причем оба 144фотоприемника расположены на изобра=женин линии сканирования образца,Использование одного фотоприемника с синхронным детектированием сигнала повышает предельную чувствительность измерения отраженного сиг;нала, но при этом дальнейшая обработка не обеспечит измерение малогоприращения коэффициента отраженияЬК,Улучшать предельную чувствительность фотометрического тракта нет не.обходимости. Действительно, при мощности зондирующего луча Р10 мВти коэффициенте отражения образцаК47. отраженный сигнал Р =0,4 мВт.ВОбычные средства измерения мощностилазерного излучения, беэ использования синхронного детектирования, позволяют измерять Р с предельной чувствительностью до 0,1-0,05 мкВт. Такимобразом, сигнал Р достаточно большой,и в этом большом сигнале обнаруживают малое изменение Ь Р этого жесигнала при перемещении образца наЬх.Па фиг.2 представлены результатыизмерения гетероструктуры на основеСаА 1 Аз,Регистрируемый после схемы деления сигнал7(х) = А- --Э К(х)ах где А - постоянный коэфифицент пропорциональности, регистрируется, например, самописцем. Коэффициент отражения подложки Кяизвестен, по-. этому для восстановления профиля коэффициента отражения К(х) используют,хвыражение5 Ч(х)ахКлал " мл(х)ахагде х О хООдл - соответственно. Величины исходной координаты исследуемой точки и совпадающей с границей подложек пленки.По известному К(х) вычисляется1+ Гых)ППП п(х), а по пикам1- Х)а К(х)в кривой --- - определяют граниахцы областей с различными показателями преломления.Использование изобретения упрощает настройку устройства и повышаР с и т м в У 20 25 п р з 5 1408 т его чувствительность за счет полого устранения паразитных колебаний бразца и отсутствия паразитного сигала на частоте усиления синхронного5 етектора. При этом появляется воз-: ожность максимально использовать реимущества синхронного детектировая, улучшая отношение сигнал/шум. тировочные и настроечные работы 10 с едены к минимуму. Кроме того, в тройстве отсутствует сложный электеханический вибратор, использует- более простой генератор, который жет работать на более высокой час б те,Вследствие этого становится возжным использовать устройство для сокоточных оптических измерений в ловиях массового производства. Формула изобретения устройство для измерения профиля казателя преломления и линейных змеров объектов с различными покателями преломления, содержащее ис 314 6точник излучения, последовательно походу луча которого расположены полупрозрачная пластина, оптическая система с микрообъективом и объективом ифотоприемник,а также устройство перемещения образца, генератор, синхронный детектор, низкочастотный усилитель, делитель, причем фотоприемникрасположен в плоскости изображенияоптической системы, генератор соеди-нен с входом опорной частоты синхронного детектора, выход фотоприемникасоединен с входом низкочастотногоусилителя, выходы низкочастотногоусилителя и синхронного детекторасоединены с входами делителя, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью упрощения настройки и увеличения чувствительности, в устройствовведены коммутатор и дополнительньйфотоприемник, расположенный в плоскости изображения оптической системы,причем выходы фотоприемников соединены с входами коммутатора, выход генератора соединен с управляющим вхо.дом коммутатора, а выход коммутатора - с входом синхронного детектора.1408314 ГолубевКорректор Л.Пат оставительехред М.дид едактор И.Никопайч каз 3304/4 Подписномитета СССР открытийя наб.,оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проект ВПИИП по 113035, Тирак 847 Государственного елаи изобретений сква,. Ж, Рауш