Способ измерения рельефа поверхности

)5 601 В 21/ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯРИ ГКНТ СССРи МиПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К. АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ О ское бюро научно-тех- РВ.Ю,Хомич ерферометЛ С:(71) Центральное конструктоуникального приборостроениянического объединения АН СС(56) Вест 4. Голографическая инрия, М.; мир, 1982, с. 377. Изобретение относится к оптике, аименно к оптическим методам измерениярельефа поверхности, и может быть использовано в технологических процессах при построении профилометрических системконтроля,Известен способ измерения микроне-ровностей поверхности, заключающийся всмешении опорного лазерного пучка и пред-метного лазерного пучка, многократноотраженного от контролируемой поверхности,путем пространственного разделения лучей. предметного лазерного пучка, испытавшихразличное число отражений от контролируемой поверхности, регистрации картины интерференции опорного и предметногопучков и. определения микронеровностейповерхности пб зарегистирированной картине, Н едостатком дан ного способа я вляется ограниченная область применения,обусловленная принципиальной невозможностью осуществить измерение рельефа снерегулярными неоднородностями.Известен также способ измерениярельефа поверхности, заключающийся всмешении опорного лазерного пучка ипредметного лазерного пучка, многократно(54) СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ(57) Изобретение относится к оптике. Цель изобретения - повышение точности и чувствительностиспособа, который заключается в регистрации картины интерференции импульсных ойорного пучка и предметного пучка, многократно отраженногоот контролируемой поверхности, причем регистрация осуществляется только в момент смешения импульсов пучков, 2 ил. отраженного от контролируемой поверхности (причем смешение достигается в резул ьтате восстановления двухэкспозиционной голограммы), регистрации картины интерференции опорного и предметного пучков путем согласования ойтйческой длины пути опорного лазерного пучка и предметного лазерного пучка, испытавшим заданное числоотражений 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 микронеровностей, Однако его недостатками являются низкая точность, обусловленная малой дифракционной эффективностью восстановления голограммы, а также фоновой засветкой регистрируемой картины интерференции, низкая чувствительность, обусловленная принципиальной невозможносгью достижения высоких значений кратности усиления фазовых неоднородностей, вследствие жесткого ограничения на величину оптической длиныпути опорного лазерного пучка и предметного лазерного пучка, испытавшим заданное число отражений от контролируемой поверхности из-за фиксированного значения длины когерентности лазерного излучения.Целью изобретения является повышение точности и чувствительности метода измерения рельефа поверхности,Поставленная -цель достигается способом измерения рельефа поверхности, за, ключающимся в смешении опорноголазерного пучка и предметного лазерного пучка, многократно ограженного от контролируемой поверхности, регистрации картиныинтерференции опорного и предметного пучков и,определении рельефа поверхности по зарегистрированной картине, причем опорный и предметный пучки формируют в аиде импульсов, длительность 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.На фиг.1 представлена блок-схема системы, реализующей данный способ; на Фиг,2 - временные диаграммы работы системы.Система содержит лазер 1 с блоком формирования коротких импульсов, а также расположенные на одной оптической оси с ним телескопический расщиритель, состоящий иэ микрообъектива 2, микродиафрагмы 3 и коллимирующей линзы 4, кроме того светоделителей 5 и 6 и резонатора, состоящего из светоделителя 7 и.,отражающего объекта 8, рельеф поверхности которого и подлежит измерению. Светоделитель 6 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 использовай сериййо выпускаемый пикосекундный лазер МГУНПП "Алькор", "УАООАВ".Оптические элементы 2,3,4,12 использованы из набора оптики серийной установки УИГ - 22 М. В качестве ЭОЗ 10 использована стандартная ячейка Керра. Регистратором 11 может служить бытовой зеркальный фотоаппарат типа "ЗенитСД" или обычный матовый экран. Фотопри емником 13 может служить быстродействующий фотодиод ФД - 256, входящий в комплект лазера 1 типа "УАООАВ". Генератор импульсов 14, генератор временных сдвигов 15 - серийные приборы типа Г 5-72, И 1- 8 соответственно. В качестве усилителя 16 может быть использована стандартная ключевая схема.Коэффициенты отражения светоделителей 5, 6 и 7, а также эталонного зеркала 9 рассчитываются из условия равенства интенсивностей на регистраторе 11 предметного и опорного лазерного импульсов и определяются по заданному числу отраже 5 10 ний от объекта. В экспериментальном стенде для пяти отражений от объекта коэффициенты отражения светоделителей 5, 6 и 7 составляют 0,5; 0,1 и 0,45 соответственно, величины которых формируются пу 20 тем 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 изготавливаемомэкспериментальном стенде составляет4 мм. 25 зом.Лазер 1 с блоком формирования коротких импульсов генерирует излучение в импульсно-периодическом режиме, причем длительность лазерного импульса меньше, чем время затрачиваемое им на осуществление двух последовательных отражений от контролируемой поверхности. Время, затрачиваемое лазерным импульсом на осу 35 40 ществление двух последовательных отражений от контролируемой поверхности, определяется временем полного прохода резонатора 7,8 и рассчитывается по формуле 45 тпр = 2 Ос,где С = Зх 10 м/с - скорость света (фиг.1),50 55 В экспериментальном стенде= 4 см и время одного прохода составляет хор = = 8410 /310 = 0,3 нс, 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 ьр = 5.тпр = 1,5 нс.Длительность цуга импульсов излучения лазера "УАООАВ" в режиме синхронизации мод с 30 Способ реализуется следующим обра1755050 одновременной модуляцией добротности составляет стабильную величину Т = 4 нс. В каждом цуге излучается пять пикосекундных импульсов с интервалом% =1 нс, Первый ного светоделителя 5, падает на ЭОЗ 10, который в этот момент кратковременно открывается (согласно описанной схеме синхронизации) и пропускает ее на регистратор светоделителем 7 и объектом 8, профиль многократно отраженного от контролируекоторого подлекит измерению (Фиг.1) мой поверхности, регистрации картины инПлечи интерферометра 11 и 12 согласованы таким образом, чтобы опорный лазерный импульс, отразившись от зеркала 9,терференции опорного и предметного пучков и определений рельефа поверхности по зарегистрированной картйне, о т л и ч а ю щ и йвстретился на светоделителе .6 с предс я тем, что, с целью повышения точности и метным лазерным импульсом, совершив- чувствительности; опорный и предметный шим заданное число отражений от 45объекта 8, В экспериментальном стенде пучки формируют в виде импульсов, длительность которых не превосходит времени 1 и 12 согласованы так, чтобы опорный лазерный импульс встретился на светомежду двумя последовательными отражениями предметнОго пучка от контролируеделителе 6 с предметным лазерным иммой поверхности, а регистрацию картины пульсом, совершившим пять полных 50 интерференции осуществляют в моменты проходов по резонатору 7, 8. Результи-времени, соответствующие смешению имрующая интерференция двух лазерных пульса опорного пучка с импульсом предметного пучка. импульсов, отразившись от полупрозрачимпульс цуга, отраженный от светоделителя 5 11. С генерацией следующего цуга излуче, фокусируется линзой 12 на быстродейству- ния лазера 1 работа схеМы повторяется, ющийфотоприемник 13,постоянная времени Итак, открывание ЭОЗ 10 происходит толыкоторого меньше интервала гЪ и в экспери- . ко в момент, когда интерференционная карментальном стенде составляет т 1 нс тина от опорного лазерного импульса и (фиг.2 б). Сигнал с фотоприемника 13 по предметного лазерного импульса, соверступает на генератор импульсов 14, кото-шившего заданное числоотражений от конрый формирует синхроимпульс (фиг.2 в); тролируемой поверхности, поступает на поступающий в генератор временнь 1 х регистратор 11. Закрытое состояние ЭОЗ 10 сдвигов 15, осуществляющий сдвигв другие моменты времени позволяет исксинхроимпульса на интервал тсдв =Т - 15 лючить фоновую засветку регистрируемой гп (фиг,2 г). Далее этот импульс поступает наинтерференционной картины от предмет- усилитель 16 и сформированный таким об- ных лазерных импульсов, совершивших чис разом импульс напряжения открывает ЭОЗ ло отражений от контролируемой 10 как раэ в тот момент времени, когдапо-"поверхности меньшее; чем за;бранное, Замеследний лазерный имйульс цуга совершит 20 тим, что интенсивность всех предь,яцик заданное число отражений от контролируе- Отражений от контролируемой поверхности мой поверхности (заданное число проходов - выше интенсивности заданного отражения, по резонатору 7, 8). В экспериментальном Исключение Фоновой засветки регистрирустенде тд =4 нс. Таким образом, все емойлинтерферонционнойкартиныпозволяимпульсы, входящие в цуг излучения 25 ет повысить точность и чувствительность лазера 1, кроме последнего, пройдя эле- измерения профиля поверхности объекта 8 менты оптической схемы 2 - 8, не попада- без привлечения голографических методов ют на регйстратор 11, поскольку ЭОЗ 10 регистрации интерференционной картины, закрыт (фиг.2), Последний импульс цуга чтоактуальноприизмеренияхмалыхампл:1- излучения лазера 1 попадая на телескоп 30 туд микронеровностей рельефа поверх:о-4 расширяется и, пройдя сквозь полу- сти, в частности при визуализации по зй прозрачный светоделитель 5, разделяет- поверхностных акустических волн и т,п ся светоделителем 6 на опорныйлазерный импульс, который попадает на Ф о р мул а из о б рете н и я эталонное зеркало 9 и отражается от не Способ изменения рельефа поверхности, го, и предметный лазерный импульс, по- эаключаощийсявсмешенииопорноголазерпадающий в резонатор, образованный ного пучка и предметного лазерного пучка,1755050 Рыхойг: гнград 700 Ю пулмМ Гриррда тор де Р 1/дб/Х ФРОюд Рею лир оставитель В.Краснерехред М.Моргентал орректор И.Шулл есивых ак Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Уж ул.Гагарина, 10 аказ 2882 Тираж . . ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5