Спектрометр для измерения коэффициентов отражения

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскииСоциапистическикРеспублик 11939959(53 ) М. Кл. С 01 1 3/42 3 Ьеудерстеенай омитет СССР ео делам изобретений н открытийОпубликовано 30, 06. 82, Бюллетень24 Дата опубликования описания 02 . 07. 82(54) СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ1Изобретение относится к технической Физике и может быть использовано при создании приборов для исследования Физических свойств и химического состава тонких сильно поглощаю 5 щих слоев по спектрам отражения,Известны различные варианты спектрометров для измерения коэффициентов отражения, например, при внешнем отражении (т.е. отражении на границе исследуемая среда - воздух) 13.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спектрометр, выполненный на основе спектрофотометра ИКС и приставки НПВО, содержащий осветитель, проекционный объектив, держатель образца, коллимирующий объектив, изготовленный из материала с высоким показателем преломления и установленный перед 2 о держателем образца монохроматор, расположенный за проекционным объективом, и приемник излучения, установленный за монохроматором. В спект 2рометре коллимирующий объектив в фор"ме полуцилиндра, выполняющий функциюэлемента НПВО, закреплен неподвижноотносительно плоскости, образованной пересечением оптических осей осветителя и проекционного объектива 21.Существенным недостатком данного прибора является ограниченность ана" литических возможностей при исследова" нии 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 0,1-1 мкм, так и более глубоких подповерхностных слоев толщиной до нескольких мкм, Однако при использовании спектрометров НПВО глубина д проникновения излучения в вещество очень мала, Это не позволяет получать с помощью известных типовых3 93995 9 4оси,. С осью 11 столика 10 жестко связан держатель 7 образца, Столик 10выполнен подвижным относительно корпуса 12 спектрометра в направленииоси ООя проекционного объектива 3,тогда как каретка 0 имеет возможностьперемещения относительно платформы 9в направлении оптической оси 00осветителей 1 и 2.В спектрометре имеется привод, содержащий вал 13. Подшипники 11 смонтированы на кронштейне 15, которыйукреплен на цилиндрических направляющих 16, выполненных как одно целоес столи ком 1 О,На валу 13 закреплены кулачок 17фокусировки и кулачок 18 подъема образца (Фиг. 3), Кулачок 18 подъемаобразца через контактный элемент 19взаимодействует с осью 11 столика 10,а кулачок 17 Фокусировки черезшток 20 - с подпружиненной втулкой 21,установленной на цилиндрических направляющих 16, С боковой поверхностью подпружиненной втулки 21 взаимодействуют контактные элементы 22 и23 связанные с корпусом 12 и кареткой 8 соответственно, В приводе имеются также элементы для поворота платформы 9 и оси 11 столики 10 и упругие элементы 2 ч"27 для обеспечениясилового замыкания между соответствующими деталями спектрометра. Выходными звеньями привода являются подпружиненная втулка 21, связанная сстоликом 10, и контактный элемент 23,связанный с кареткой 8,Спектрометр работает следующим образом,Поворотом вала 13 спектрометр устанавливается в исходное положение,в котором фокальные точки Р и Госветителя и проектного объективафиг, 2) находятся на равном расстоянии от точки О, совпадая с фокальнымиточками коллимирующего объектива 1.Исследуемый образец устанавливаетсяна оптический контакт с коллимирующим объективом 1 и закрепляется в держателе 7 образца таким образом, чтобы точка 0 совместилась с исследуемойповерхностью. Излучение от осветителей 1 и 2 направляется коллимирующимобъективом 1 на образец. Излучение,отраженное от ИО за счет эффектаНПВО, направляется коллимирующим объективом 1 на вход монохроматора 5, ко спектрометров НПВО информацию о свойствах глубинных слоев, что ограничивает их аналитические возможности.Цель изобретения - расширение ана"литических возможностей спектрометровпри изучении свойств и состава тонкихслоев по спектральным коэффициентамотражения,Поставленная цель достигаетсяблагодаря тому, что спектрометр для Оизмерения коэффициентов отражения,содержащий осветитель, проекционныйобъектив, держатель образца, коллимирующий объектив, изготовленный иэматериала с высоким показателем пре зломпения и установленный перед держателем образца монохроматор, расположенный за проекционным объективом,и приемник излучения, снабжен карет.ой, установленной с возможностьюперемещения вдоль оптической оси осветителя, столиком, подвижным в направлении оптической оси проекционногообъектива и приводом, входные звеньякоторого связань 1 с кареткой и столиком, при этом осветитель закрепленна 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 показанспектрометр для измерения коэффициентов отражения, разрез; на Фиг, 2 то же, вид сверху; на Фиг. 3 - вид Ана фиг. 1.Основными оптическими системамиявляются осветитель, изображенный ввиде источника 1 излучения и линзы 2,40проекционный объектив 3, коллимирующий объектив ч (элемент НПВО), изготовленный иэ материала с высоким показателем преломления и установленный вблизи точки 0 пересечения оптических осей ОО осветителя и 002(Фиг. 2 ) проекционного объектива,монохроматор 5, расположенный за проекционным объективом 3, и приемник 6излучения, установленный на выходемонохроматора 5. Держатель 7 исследуемого образца (ИО) расположен позади коллимирующего объектива 1.Осветители 1 и 2 закреплены накаретке 8, установленной на платформе 9, которая является частью столика 10, и, как и ось 11 столика можетповорачиваться вокруг вертикальной939959 5 о ер о торый выделяет в спектре отраженногоизлучения узкий спектральный интервал. Интенсивность излучения в этоминтервале измеряется приемником 6. где- угол падения излучения на ИО; 1М - волновое число;Х " коэффициент поглощения ИО; и, и - соответственно показатели преломления ИО и вещества, находящегося с ним в оптическом контакте в данном случае - материала коллимирующего объектива ).Из формулы видно, что значение 4 можно в определенных пределах варьировать изменением величины угла О. Для этого достатоцно 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 18,3При повороте кулацка 17 Фокусировки подпружиненная втулка 21 под воздействием упругого элемента 26 нацинает опускаться, В результате взаимодействия конической поверхности втулки 21 с закрепленным контактным элементом 22 столик 10 с всеми закрепленными на нем деталями, т.е. с джателвм 7 образца, платформой 9 с кареткой 8 и осветителем 12, нацинает 4 о перемещаться вдоль оптической оси 00 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 подпружиненнойвтулке 21 фокальные точки Г и Р осветителей 1 и 2 и проекционногообъектива совместятся с точкой О, При дальнейшем опускании подпружиненной втулки 21 столик 10 и каретка 9 со)5 храняют свое положение. На этом участке поворота вала 13 в результате взаимодействия с кулацком 18 подъемаобразца происходит опускание оси 11 Коэффициент НПВО характеризует свойство поверхностных слоев.Глубина проникновения излучения в ИО определяется выражением сте с держателем 7 оующим объективом ч,т этого выводится из столика 10 вме бразца коллимиркоторый за сцехода лучейВ результате на вход монохроматора 5 поступает излучение, испытав-. шее внешнее отражение на границе воздух - ИО. Как следует из формулы, в этом случае за счет уменьшения значения и до 1 происходит скацкообразное возрастание велицины 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 обеспецивается простой и удобный переход от измерений внешнего отражения к измерению НПВО 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 и с использованем тех же самых оптических систем осветителя и проекционного объектива, предлагаемый спектрометр обеспечивает при процих равных условиях более высокую точность измерений, цем 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 спектране изображен ), В этом случае при соответствующем выборе угла наклона образующей коницеской поверхности втулки подпружиненной 21 и профиля кулачка 17 Фокусировки сканирование спектра НПВО сопровождается синхронным перемещением осветителей 1 и 2 и проекционного объектива 3 по закону, обеспечивающему компенсацию хро93995 матизма положения. Этим достигаетсяповышение точности измерений,Формула изобретения Спектрометр для измерения коэФФициентов .отражения, содержащий оптически связанные осветитель, проекционный объектив, держатель образца, кол лимирующий объектив, изготовленный из материала с высоким показателем преломления и установленный перед держателем образца, монохроматор, расположенный за проекционным объективом,5 и приемник излучения, установленный на выходе монохроматора, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью расширения аналитических возможностей, он снабжен кареткой, установленной ув 9 8с возможностью перемещения вдоль оп.тической оси осветителя, столиком,подвижным в направлении оптическойоси проекционного объектива, и приводом, входные звенья которого связаны с кареткой и столиком, при этомосветитель закреплен на каретке, акаретка и держатель образца расположены на столике, коллимирующий объектив выполнен подвижным в направлении,перпендикулярном к плоскости, образованной оптическими осями осветителяи коллимирующего объектива,Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США У 3687519кл, 6 01 3 3/М 2, опублик. 1972.2. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения, И., "Иир", 1970,с. 30, 307,А. Сиирнокарь КоррПодйР Ре За тоо И. Кост н д. 4/ оектнаяв ав ктор Е. Лушниковаз 6537 Овниипи го по дела 113035 носкв ав авва а ав ва Ва Л а ав ав ,в ав филиал ППП пп