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

 

Изобретение относится к измери- .тельиой технике и может быть использовано для измерения линейных размеров и профиля показателя преломления элементов оптики.Изобретение наиболее :эффективно применять в оптическом приборостроении. Цель - увеличение чувствительности устройства.и упрощение его настройки. Цель достигается путем введения в устройство дополнительного фотоприемника и коммутатора , при этом настройка упрощается и увеличивается чувствительность за счет того, что модуляционный режим работы обеспечивается переключением коммутатора. Паразитные колебания образца исключаются благодаря разделению перемещения образца и его колебаний на частоте модуляции. 2 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СООИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (19) (И) (51) 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

К А BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

7 ®Л

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4155950/24-25 (22) 05.12.86 (46) 07.07.88.Вюл. У 25 (72) М.Я.Яковлев и А.Г.Свинцов (53) 535.024 (088.8) (56) Казанне А. и др. Оптика и связь.—

М.: Мир, 1984, с.283.

Авторское свидетельство СССР

1(1074238, кл. G OI Н 21/41,.1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ЛИНЕЙНЫХ

РАЗМЕРОВ ОБЬЕКТОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ ПРЕЛОМЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измери.тельной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров и профиля показателя преломления элементов оптики. Изобретение наиболее:эффективно применять в оптическом приборостроении. Цель — увеличение чувствительности устройства,и упрощение его настройки. Цель достигается путем введения в устройство дополнительного фотоприемника и коммутатора, при этом настройка упрощается и увеличивается чувствительность за счет того, что модуляционный режим работы обеспечивается переключением коммутатора. Паразитные колебания образца исключаются благодаря разделению перемещения образца и его коле- а баний на частоте модуляции. 2 ил.

1408314

Изобретение относится к измери= тельной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении, в частности для измерения линейных

5 размеров и профиля показателя преломления оптических волокон и элементов интегральной оптики °

Целью изобретения является увеличение чувствительности и упрощения наст- lp 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 микрообъективом 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 10, к входам которого подсоединены фотоприемники 8 и 7, причем фотоприемник 7 соединен с низкочастотным усилителем 11. Выход коммутатора 10 соединен с входом синхронного детектора 12, выход которого, а также выход низкочастотного усилите- 3р я ll соединены с входами делителя 13

1 (1 (Устройство работает следующим образом.

Свет источника 1 излучения, пройя полупрозрачную пластину 2 и микро збъектив 3, попадает на поверхность исследуемого образца 5. Отраженный вет пропорциональный коэффициентам отражения, а следовательно и покая 40 дателю преломления, регистрируется фотоприемниками 7 и 8, сигналы с которых подаются на коммутатор 10, Управляемый генератором 9 и обеспечивающий коммутацию сигналов с часто45 ои сй . Синхронный детектор )2 обеспечивает усиление сигнала, пропорционального приращению показателя преломления ьп(х). Низкочастотный усилитель ll обеспечивает усиление B с)порном канале, сигнал которого про50 г1орционален мощности источника излучения 1 и значению показателя прелом 1ения n(x), а делитель 13 при сканировании образца 5 посредством устройcITBs 6 перемещения обеспечивает

55 измерение профиля производной показа1

an теля преломления ----(х), По этим изи мерениям восстанавливается профиль по каэателя преломления Ьп(х), а затем по расстоянию между максимумами производной определяются линейные размеры исследуемых образцов.

В устройстве используется усовершенствованный метод пространственной модуляционной рефрактометрии..

Метод 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

10 — 10 при исходной величине

-й -ь показателя преломления n = 1,4; размеры измеряемых областей Д х =

1-100 мкм.

B основе метода модуляционной рефрактометрии лежит тот факт, что измеряется не прЬфиль отраженного сигнала R(x), а его производная ак ††-(х), модулированная на частоте ах у, где х †координата исследуемой точки в направлении оптической оси объектива. При этом использование синхронного детектирования (сигнал

Зк

Вх модулируется на частоте u) на

Ф которой и работает синхронный детектор) позволяет увеличить пороговую чувствительность измерения E u а д с соответственно крутизну преобразования R(x) после интегрирования примерно 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 h между микрообъективом и исследуемым объектом. Изменение расстояния h на 0,1 мкм приводит к изменению сигнала порядка I X.Ñëåäoâàòåëüно, для максимального использования свойств синхронного детектирования, а именно уменьшения паразитной поперечной модуляции до величин порядка

-4 "5

10 — 10, необходимо устранить поперечные колебания с величиной ьЬ < 0,1 мкм.

3 14083

Для наилучшего разрешение в мето де модуляционной рефрактометрии при использовании Не-Ne-лазера и фокусировки пучка лазера в пятно с диамет5 ром d 0,9 мкм необходимо обеспечить колебание образца на частоте (д с амплитудой ЛЬ 0,3.мкм. Поперечные колебания образца с размахом

1 и c 0,1 мкм возникают вследствие щ консольности устройства крепления образца и из-за невозможности точного совмещения осей поперечных колеба-. ний пьезокерамического преобразователя и оси консоли. При этом обеспечить 15 необходимый минимум паразитных затуханий черезвычайно сложно. Условия, при которых имеется этот минимум, зависят от многих параметров: конфигурации, способа крепления и типа пьезо- 20 керамического преобразователя, конфигурации и способа соединения устройства крепления исследуемого образца, частоты я, амплитуды h L, температуры помещения и т.д. При наличии 25 паразитных колебаний эти колебания усиливаются на частоте д синхронным детектором и проявляются в виде шума, тем самым увеличивают порог чувствительности измерителя в определении 30

ЭК дх

В устройстве используются преимущества метода пространственной модуляционной рефрактометрии: измерение ие коэффициента отражения R(x) а аR его производной -- †-(х) использовадх ние синхронного детектирования для повышения пороговой чувствительности со снятием основного ограничения метода — паразитиой поперечной пространственной модуляции образца на частоте и

Паразитная пространственная моду. ляция отсутствует, так как в устрой- 45 стве вообще отсутствуют механические колебания на частоте И

Пространственная модуляция обеспечивается коммутацией сигналов фотоприемников, каждый из которых про- 50 сматривает свой участок исследуемого образца, Фотоприемники 8 и 7 расположены в плоскости изображения оптической системы объектив 4 - микрообъектив

3 на расстоянии ь Ь К д Ь,где Ь Ь 0,3 мкм; К вЂ” коэффициент увеличения оптической системы, причем оба, 14

4 фотоприемника расположены на изобра= женин линии сканирования образца, Использование одного фотоприемника с синхронным детектированием сиг- . нала повышает предельную чувствительность измерения отраженного сиг; нала, но при этом дальнейшая обработка не обеспечит измерение малого приращения коэффициента отражения йК, Улучшать предельную чувствительность фотометрического тракта нет необходимости. Действительно, при мощности зондирующего луча Р 10 мВт и коэффициенте отражения образца

К 4Х отраженный сигнал P =--0,4 мВт.

Д

Обычные средства измерения мощности лазерного излучения, беэ использования синхронного детектирования, позволяют измерять Р с предельной чувствительностью до 0,1-0,05 мкВт. Таким образом, сигнал Ро достаточно большой,и в этом большом сигнале обнаруживают малое изменение b P этого же сигнала при перемещении образца на

Ьх.

Па фиг.2 представлены результаты измерения гетероструктуры на основе

GaA1As.

Регистрируемый после схемы деления сигнал

U(x) = А- ——

Э R(x) ах где А — постоянный коэфифицент пропорциональности, регистрируется, например, самописцем. Коэффициент отражения подложки Rä „ известен, по-. этому для восстановления профиля коэффициента отражения R(x) используют, выражение «

5 V(x)dx

В по л м

) U(x)dx

«а где х ьхп0дА соответственно величи ны исходной координаты исследуемой точки и совпадающей с границей подложек пленки.

По известному R(x) вычисляется

I+ R(x)

ППП n(x), а по пикам

1- Х) а К(х) в кривой — — — - определяют граниах цы областей с различными показателями преломления.

Использование изобретения упрощает настройку устройства и повыша

P с

M т м в у

25 п р з

5 1408 т его чувствительность за счет полого устранения паразитных колебаний бразца и отсутствия паразитного сигала на частоте усиления синхронного

5 етектора. При этом появляется воз-ожность максимально использовать реимущества синхронного детектировая, улучшая отношение сигнал/шум. тировочные и настроечные работы с едены к минимуму. Кроме того, B тройстве отсутствует сложный электеханический вибратор, используетболее простой генератор, который жет работать на более высокой часте, 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 ис314 6 точник излучения, последовательно по ходу луча которого расположены полупрозрачная пластина, оптическая систе-. ма с микрообъективом и объективом и фотоприемник,а также устройство перемещения образца, генератор, синхронный детектор, низкочастотный усилитель, делитель, причем фотоприемник расположен в плоскости изображения оптической системы, генератор соединен с входом опорной частоты синхронного детектора, выход фотоприемника соединен с входом низкочастотного усилителя, выходы низкочастотного усилителя и синхронного детектора соединены с входами делителя, о т » л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения настройки и увеличения чувствительности, в устройство введены коммутатор и дополнительныйфотоприемник, 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

Щ1

Юх . Й(Х)

- Составитель С.Голубев

Редактор И.Николайчук Техред М.Дидык Корректор Л.Патай

Заказ 3304/46 Тирам 847 Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва,. Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4