Способ определения параметров шероховатости поверхности изделия и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике; в частности к способам и устройствам для измерения субмикронной шероховатости поверхности. Цель изобретения - повышение точности определения и информативности за счет того; что при возбуждении пленарного волновода когерентным излучением используют многомодовый волновод, а регистрацию интенсивности рассеянного от поверхности излучения производят под разными углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падения излучения, а также за счет определения параметров шероховатости: пространственного периода, амплитуды гармонических составляющих и среднеквадратичного отклонения поверхности от плоскости. Способ заключается в том, что возбуждают планарный волновод когерентным излучением, регистрируют интенсивность падающего на исследуемую поверхность излучения и угловое распределение интенсивности рассеянного от исследуемой поверхности излучения, по ним находят двумерную функцию спектральной плотности шероховатости, по которой определяют параметры шероховатости: пространственный период, амплитуды гармонических составляющих и среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости. При возбуждении используют многомодовый волновод, а регистрацию интенсивности падающего на поверхность излучения и регистрацию углового распределения интенсивности рассеянного от поверхности излучения производят под разными углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падения излучения. 2 с.п.ф-лы, 2 ил. сл с х| О О СО СП 00.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц5 G 01 В 11/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4725146/28 (22) 28.07.89 (46) 23.12.91. Бюл. М 47 (71) Университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы (72) А.А. Егоров (53) 531.715.27(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1033863, кл. G 01 В 11/30, 29.12.81. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

ИЗДЕЛИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике; в частности к способам и устройствам для измерения субмикронной шероховатости поверхности. Цель изобретения — повышение точности определения и информативности за счет того, что при возбуждении планарного волновода когерентным излучением используют многомодовый волновод, а регистрацию интенсивности рассеянного от поверхности излучения производят под разными углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падения излучения, а также за счет

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам измерения субмикронной шероховатости поверхности, а также к оптике, Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения параметров шероховатости по„„ ЫÄÄ 1700358 А1 определения параметров шероховатости: пространственного периода, амплитуды гармонических составляющих и среднеквадратичного отклонения поверхности от плоскости. Способ заключается в том, что возбуждают планарный волновод когерентным излучением, регистрируют интенсивность падающего на исследуемую поверхность излучения и угловое распределение интенсивности рассеянного от исследуемой поверхности излучения, по ним находят двумерную функцию спектральной плотности шероховатости, по которой определяют параметры шероховатости: пространственный период, амплитуды гармонических составляющих и среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости. При возбуждении используют многомодовый волновод, а регистрацию интенсивности падающего на поверхность излучения и регистрацию углового распределения интенсивности рассеянного от поверхности излучения производят под разными углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падения излучения. 2 с.п.ф-лы, 2 ил. верхности, заключающийся в том, что на основе контролируемого образца (поверхности) создается путем нанесения диэлектрических слоев планарный волновод (ПВ).

Введенный через оптический элемент связи в волновод свет, распространяясь, рассеивается на шероховатостях контролируемой поверхности. Внутриволноводная часть

1700358

35

45

55 рассеянного излучения наблюдается в виде углового распределения света. В одномодовом волноводе наблюдается только один конус рассеянного излучения. Выражение для относительных потерь мощности водноводной моды на рассеяние на шероховатостях контролируемой поверхности позволяет определять по измеренному энергетическому спектру статистические характеристики шероховатой поверхности.

Недостатком известного способа является низкая точность определения и недостаточная информативность. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для определения параметров шероховатости поверхности, содержащее источник и приемник излучения, контролируемую поверхность с устанавливаемым на нее через две диэлектрические пленки оптическим элементом связи, приемный блок для фотометрирования рассеянного излучения, приемный блок для измерения зеркальной составляющей отраженного излучения, блок сравнения и блок регистрации. Диэлектрические пленки на контролируемой поверхности выполняют функции соответственно несущего слоя и слоя связи. По кривой на ленте блока регистрации судят о структуре шероховатости контролируемой поверхности.

Недостатком известного устройства является низкая точность определения и недостаточная информативность.

Целью изобретения является повышение точности определения и расширение информативности за счет использования многомодового вол новода, регистрации углового распределения интенсивности рассеянного излучения, а также за счет определения параметров ше роховатости; пространственного периода, амплитуды гармонических составляющих и среднеквадратичного отклонения поверхности от плоскости.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для определения параметров шероховатости поверхности; на фиг.2 — то же, вид сверху.

Устройство содержит источник 1 излучения, поляризатор 2, фокусирующую систему 3, первый оптический элемент 4 связи (призма), диэлектрический слой 5, второй оптический элемент 6 связи, выполненный в виде плоского полукруга радиуса Ri, третий оптический элемент 7 связи, выполненный в виде полусферы с плоским основанием радиуса Rz первый слой 8 иммерсии, второй слой 9 иммерсии, первый приемник 10 излучения, второй приемник

11 излучения, переключатель 12 (коммутатор сигналов приемников 10 и 11 излучения, дифференциальный усилитель 13 сигналов приемников 10 и 11 излучения, логарифмический усилитель 14 сигналов приемников

10 и 11 излучения, блок 15 регистрации, переключатель 16 (коммутатор), обеспечивающий подключение к блоку 15 усилителей

13 или 14, осциллограф 17, диафрагму 18, экран 19. Элемент 6 связи имеет радиус 81 такой, что 2R L, где L — длина контролируемого образца, обозначенного индексом

20. Элемент 7 имеет радиус Rz такой, что

2Rz О, где D — ширина контролируемого образца 20. Индексом 21 обозначена контролируемая поверхность, Диэлектрический слой 5 и контролируемый образец 20 образуют многомодовый планарный волновод (ПВ) 22. XYZ — трехмерная декартова система координат. Плоскость YZ совпадает с плоскостью контролируемой поверхности

21. Плоскость XZ совпадает с одной из плоскостей при угле р- О, перпендикулярных, как и XZ, плоскости YZ. Для примера на фиг.2 показан вид сверху трех таких плоскостей для трех углов у, щ и р з. На фиг.2 показан вид на устройство (фиг.1) сверху, включающий элементы 4-10, 20-22 и поясняющий взаимное расположение этих элементов. Нормаль к контролируемой поверхности обозначена символом и на фиг.1, а на фиг.2 — символически точкой в центре основания элемента 7. При этом нормаль rl параллельна оси Х, т.е, й1Х и может быть расположена в любой точке контролируемой поверхности 21.

Способ осуществляется с помощью устройства следующим образом.

Излучение от источника 1 после прохождения поляризатора 2 и фокусировки системой 3 через элемент 4 связи и диэлектрический слой 5 направляется на контролируемую поверхность 21. Подстройкой угла наклона источника 1 к поверхности

21 по максимуму интенсивности отраженного от передней грани элемента 4 связи излучения добиваются резонанса. При этом в планарном волноводе 22 возбуждается волноводная мода, которая при своем распространении (зондирование поверхности) рассеивается на шероховатостях контролируемой поверхности 21.

Рассеянное в плоскости контролируе.мой поверхности YZ излучение после вывода в воздух через второй слой 9 иммерсии с помощью оптического элемента 7 связи регистрируется в виде углового распределения интенсивности (no углу у в плоскости

YZ) первым приемником 10 излучения. Излучение, рассеянное в плоскостях, перпен1700358 дикулярных плоскости контролируемой поверхности 21 (например, в плоскостях, обозначенных р1, щ и рз, включая и плоскость

XZ на фиг.2), частично проходит через диэлектрический слой 5, слой 8 иммерсии и через элемент 7 выводится в воздух, где регистрируется в виде углового распределения интенсивности (по углу 0 в плоскости

XZ) первым приемником 10 излучения. А частично проходит через контролируемый образец 20, первый слой 8 иммерсии и через элемент 6 связи выводится в воздух, где также регистрируется в виде углового распределения интенсивности вторым приемником 11 излучения. Второй приемник 11 излучения регистрирует излучение подложко-покровных мод рассеяния, а первый— как излучение мод внутриволноводного рассеяния, так и покровных мод рассеяния.

Сигналы с приемников 10 и 11 излучения поступают поочередно через переключатель 12 для соответствующего усиления дифференциальным усилителем 13, Затем они поступают через переключатель 16 на блок 15 регистрации. Для получения регистрируемых зависимостей в логарифмическом масштабе или обеспечения режима логарифмического усиления сигналов используется логарифмический усилитель 14.

Осциллограф 17 используется для визуализации процессов настройки устройства и самого процесса измерений, позволяет их оптимизировать. Диафрагма 18 и экран 19 обеспечивают необходимые условия измерений.

Регистрация зависимостей угловых распределений интенсивности излучения, рассеянного на шероховатостях контролируемой поверхности, позволяет определять основные параметры шероховатости: двумерную функцию спектральной плотности, среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости, амплитуды гармоничных составляющих спектра шероховатостей поверхности и пространственные периоды шероховатостей. Определяют двумерную функцию спектральной плотности (ФСП) шероховатости поверхности из выражения

1 ЬР (у)/Р > yz = Ате < Фш(4 tg >, (1) где Л P(p) — регистрируемая интенсивность (мощность) рассеянного под углом ризлучения в телесный угол Л0,4р в плоскости параллельной плоскости контролируемой поверхности; 0,р — полярный и азимутальный углы соответственно: Р— интенсивность(мощность) падающего излучения; Фш

10 верхности. Среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости определяют интегрированием графической зависимости (Фщ((, д) > в пределах всех углов рассе20 яния в соответствующей плоскости. Пространственные периоды ih z определяют, зная соответствующие параметры ПВ и хара ктерн ые угл ы рассея н ия р соответственно. Используя выражение, 25 характеризующее угловое распределение интенсивности в перпендикулярных к плоскости поверхности плоскостях

» } c tP 1 > »

55 — двумерная функция спектральной плотности шероховатостей; Ате — предварительно рассчитанный коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров ПВ, условий измерений и длины волны падающего излучения. По нормированной зависимости ФСП определяют амплитуды гармоничеСких А» — составляющих спектра шероховатостей поверхности из выражения

Ак = < Фш(, д) > A Kyz, (2) где Л Kyz — определяется угловыми размерами апертуры приемник излучения и определяет разрешение по пространственным периодам шероховатостей в плоскости по ь „,= —, "т со5 h (+(Цсо -2ф}<(2)2

9 определяют, аналогичные параметры шероховатости, характеризующие ее в этих плоскостях. В (3) д — это относительная разность показателей преломления сред, образующих ПВ, а (, v — пространственные частоты ФСП.

Формула изобретения

1.Способ определения параметров шероховатости поверхности изделия, заключающийся в том, что возбуждают планарный волновод когерентным излучением, регистрируют интенсивность падающего на исследуемую поверхность излучения и угловое распределение интенсивности рассеянного от исследуемой поверхности излучения, по ним находят двумерную функцию спектральной плотности шероховатости, по которой определяют параметры шероховатости: пространственный период, амплитуды гармонических составляющих и среднеквадратичное отклонение поверхности от плоскости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения и информативности, в качестве планарного

1700358 волновода используют многомодовый вол.новод, а регистрацию интенсивности падающего на поверхность излучения и регистрацию углового распределения интенсивности рассеянного от поверхности излучения производят для каждой моды волновода под соответствующими углами к исследуемой поверхности и под разными углами к плоскости падения излучения.

2.Устройство для определения параметров шероховатости поверхности изделия, ! содержащее источник и приемник излуче ния, диэлектрический слой, предназначен1 ный для образования с контролируемой поверхностью, оптический элемент связи, ! предназначенный для оптического сопряжения через диэлектрический слой с контролируемой поверхностью, и блоки усиления и регистрации,отли ча ющееся тем, что оно снабжено вторым оптически прозрачным элементом связи, выполненным.в

5 виде плоского полукруга и предназначеннь.м для связи через первый слой иммерсии с контролируемым изделием, третьим оптически прозрачным элементом связи, выполненным в виде полусферы и

10 предназначенным для связи через второй слой иммерсии с диэлектрическим слоем, вторым приемником излучения и блоком обработки в виде логарифмического усилителя, вход которого подключен к приемникам

15 излучения, выход — к блоку регистрации, а планарный волновод выполнен многомодовым.

1700358

Составитель А,Егоров

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор О.Кундрик

Редактор Г.Гербер

Заказ 4458 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101