Бесконтактный фотометрический способ измерения высоты шероховатости поверхности образцов

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, для контроля качества поверхности, определения высоты шероховатости, выбора рациональных технологических процессов при создании полированных сверхгладких поверхностей в различных отраслях промышленности. Сущность: на контролируемую поверхность направляют монохроматический поток излучения под углом, не превышающим 10°, определяют интенсивность J ₀ зеркально отраженного излучения и интенсивность излучения J(Θ₁), отраженного в направлении, отличном от зеркального, под заданным углом Θ₁, определяют отношение замеренных интенсивностей . Кроме того, дополнительно измеряют интенсивность J(Θ₂) излучения, отраженного от контролируемой поверхности под вторым углом Θ₂≠Θ₁, и определяют отношение дополнительно измеренной и зеркально-отраженной интенсивностей. Излучение, прошедшее внутрь образца, уводят из схемы измерения через оптический клин с просветленными боковыми гранями. Оптический клин установлен с противоположной стороны контролируемого образца на слое иммерсионной жидкости. При этом показатели преломления оптического клина выбирают равными показателю преломления контролируемого образца. Среднеквадратичное отклонение высот шероховатостей определяют по формуле:

где

λ - длина волны излучения, δω - телесный угол, в котором в процессе измерения собирают отраженное излучение. Технический результат: повышение точности и расширение диапазона измерений. 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, для контроля качества поверхности, определения высоты шероховатости, выбора рациональных технологических процессов при создании полированных сверхгладких поверхностей в различных отраслях промышленности.

Известен бесконтактный рефлектометрический способ определения шероховатости поверхности, заключающийся в том, что измеряют отношение интенсивностей излучения, отраженного в зеркальном направлении, и полного отраженного излучения от поверхностей изделий, служащих образцами сравнения, и от поверхностей изделий (патент США №4017188, кл. 356-120, 1976 г.).

Исследуемую поверхность прозрачных образцов предварительно покрывают тонким высокотражающим слоем алюминия или серебра, воспроизводящим ее микрорельеф, и затем используют рефлектометрический способ измерения. Недостатками способа являются, во-первых, необходимость градуировки по предварительно аттестованным по параметру шероховатости образцам сравнения, во-вторых, наличие высокоотражающего слоя, при котором остается неясной степень воспроизводимости микрорельефа указанным слоем.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является бесконтактный фотометрический способ измерения высоты шероховатости поверхности образцов (Applied Optics, 1974, v. 13, №1, p.177-180), заключающийся в том, что на поверхность образцов направляют монохроматический поток излучения под углом относительно нормали к ней, не превышающим 10°, определяют интенсивности излучения, отраженного от поверхности образца в зеркальном направлении (I₀) и в направлении, отличном от зеркального I(Θ₁), и по отношению интенсивностей судят о среднеквадратическом отклонении высот шероховатостей. Однако этот способ требует наличия предварительно аттестованного по параметру шероховатости образца сравнения. Аттестация его весьма затруднительна и может быть проведена с большой погрешностью, что существенно снижает точность измерения параметра шероховатости изделия.

При измерении прозрачных образцов исследуемую поверхность покрывают тонким высокоотражающим слоем алюминия или серебра. Это также снижает точность измерения и сужает диапазон измеряемых величин, поскольку указанный слой недостаточно точно воспроизводит микрорельеф поверхности и толщина этого слоя может быть на порядок больше высоты шероховатости поверхности. Кроме того, операция нанесения указанного слоя является весьма трудоемкой и в ряде случаев делает образцы непригодными для эксплуатации. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измеряемых величин высот шероховатости прозрачных образцов при упрощении процесса измерения. Поставленная цель достигается тем, что на поверхность образца направляют монохроматический поток излучения под углом относительно нормали к ней, не превышающим 10°, определяют интенсивности излучения, отраженного от поверхности образца в зеркальном направлении (I₀) и в направлениях, отличных от зеркального под углами Θ₁ и Θ₂, (I(Θ₁) и I(Θ₂), причем Θ1≠Θ₂, и определяют отношения R₁=I(Θ₁)/I₀, R₂=I(Θ₂)/I₀, излучение, прошедшее внутрь образца, уводят из схемы измерения с помощью оптического клина с просветленными гранями, прикрепленного к противоположной стороне образцов через иммерсионную жидкость, при этом показатель преломления оптического клина и иммерсионной жидкости выбирают равными показателю преломления образца, а среднеквадратическое отклонение высоты шероховатости σ определяют по формуле:

где

λ - длина волны излучения,

π=3,1416 - известная постоянная,

δω - телесный угол,

один из углов оптического клина, прилегающих к образцу, выполняют прямым, а другой угол А определяют из соотношения:

где n - показатель преломления образца,

Θ₀ - угол падения излучения на образец.

На чертеже изображена схема, реализующая описываемый способ. Схема включает в себя источник 1 лазерного излучения, образец 2, фотоприемник 3, линзу 4, собирающую отраженное от образца излучение в телесном угле δω, оптический клин 5, отводящий проходящее в образец излучение, и ловушки излучения 6 и 7.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Излучение монохроматического источника 1 направляют на образец под углом Θ₀ относительно нормали к ней, не превышающим 10°. Излучение, отраженное поверхностью образца в направлении зеркального отражения Θ₀ и под углами Θ₁ и Θ₂, измеряют в телесном угле δω, определяемом проектирующей линзой с помощью фотоприемника, который устанавливается последовательно под углами Θ₀, Θ₁, Θ₂. Излучение, прошедшее внутрь образца, уводят из схемы измерения с помощью оптического клина (см.чертеж). На грани B и С оптического клина наносят просветляющие покрытия между оптическим клином и образцом и помещают на иммерсионную жидкость 8, при этом показатели преломления оптического клина и иммерсионной жидкости должны быть равны показателю преломления образца. При этих условиях преломленный в образце луч проходит границы образец - иммерсионная жидкость - оптический клин без отражения и попадает на грань С оптического клина. Для того чтобы на этой грани не было полного внутреннего отражения, угол А оптического клина определяют из соотношения , где n - показатель преломления образца, Θ₀ - угол падения излучения на образец. Поскольку грань С просветлена, то при выбранном угле А почти все излучение выходит из клина, а отраженная от грани С доля излучения определяется качеством просветляющего покрытия и обычно не превышает 0,1%.

Для того чтобы излучение, отраженное от просветленной грани С, не попадало сразу обратно в образец, а выходило через просветленную грань В, на угол А оптического клина накладывается еще одно условие: угол А должен быть больше 30°.

В таблице 1 для различных прозрачных материалов и углов падения, не превышающих 10°, приведены значения критических углов А_кр оптического клина. При углах А оптического клина, больших А_кр, наблюдается полное внутреннее отражение на грани оптического клина С.

Таблица 1Значение углов А_кр оптического клина для различных материалов и углов падения излучения на образец Материалn показатель преломления А_кр ⁰Θ₀=10°Θ₀=8°Θ₀=5° КУ-11,458436,45 37,839,86 КЛР-1-11,4821 35,7037,0439,06 CO-1151,536 34,1335,4 37,36К-81,516 34,6936 37,97

Рассеянием в объеме образца можно пренебречь.

Формула для определения σ (среднеквадратического отклонения высоты шероховатости) получена из следующих соображений. В прототипе используется соотношение, полученное для нормального распределения высот шероховатостей, связывающее параметры шероховатости с величиной отношения излучения, отраженного под углом Θ к отраженному в зеркальном направлении.

Последовательно принимая угол Θ, равным Θ₁ и Θ₂, получаем:

где σ - среднеквадратическое отклонение высоты шероховатости, а - интервал корреляции высот неровностей, δω - телесный угол фотоприемника.

Поделив выражение (1) на (2), получим

отсюда находим a:

Подставляя значение a в выражение (1) и учитывая, что , при σ<λ, получаем выражение для σ:

В таблице 2 приведены значения σ средней квадратической шероховатости, измеренной предлагаемым способом на подложках, изготовленных из оптического стекла К-8 с различной обработкой. Для сравнения приведены значения σ, полученные по измерению величины R_z на профилометре "Talystep". Следует иметь в виду, "что между величинами σ, R_a и R_z, выполняется соотношение

R_a≃0,8σ≃0,2R_z

(А.П.Хусу, Ю.Г.Витенберг, В.А.Васильев. Шероховатость поверхности, М.: Наука, 1975 г.).

Результаты измерений среднеквадратического отклонения высоты шероховатости σ

Таблица 2 №Результаты фотометрических измерений (λ=0,63 мкм)σ (А°)1. 2·10^-34·10 ^-4116112 2.3,4·10 ^-41,7·10^-4 4547 3.3·10 ^-55,5·10^-6 15 

Величины σ измерены ФМ-предложенным фотометрическим методом, "Talystep" - с помощью профилометра.

Предложенный способ измерения параметров шероховатости прозрачных образцов позволит, во-первых, повысить точность измерений и расширить диапазон измеряемых величин шероховатостей сверхгладких поверхностей с классом чистоты выше 14, т.к. он не требует нанесения непрозрачного отражающего слоя на измеряемую поверхность, искажающего ее микрорельеф, во-вторых, упростить процесс измерения, поскольку операция нанесения указанного слоя весьма трудоемкая, в-третьих, предложенный способ измерения не портит проверенные образцы и оставляет их пригодными для эксплуатации в отличие от способа с нанесением покрытия для измерения, в-четвертых, позволит сэкономить драгоценные и редкие металлы, в-пятых, позволит обойтись без эталонного образца.

Формула изобретения

Бесконтактный фотометрический способ измерения высоты шероховатостей поверхности образцов, по которому на контролируемую поверхность направляют монохроматический поток излучения под углом, не превышающим 10°, определяют интенсивность J₀ зеркально-отраженного излучения и интенсивность излучения J(Θ₁), отраженного в направлении, отличном от зеркального, под заданным углом Θ₁ определяют отношение заверенных интенсивностей отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, дополнительно измеряют интенсивность J(Θ₂) излучения, отраженного от контролируемой поверхности под вторым углом Θ₂≠Θ₁, и определяют отношение дополнительно измеренной и зеркально-отраженной интенсивностей, излучение, прошедшее внутрь образца, уводят из схемы измерения через оптический клин с просветленными гранями, установленный с противоположной стороны контролируемого образца на слое иммерсионной жидкости, показатели преломления оптического клина и иммерсионной жидкости выбирают равными показателю преломления контролируемого образца, а среднеквадратическое отклонение высот шероховатостей определяют по формуле

где

λ - длина волны излучения;

δω - телесный угол, в котором в процессе измерения собирают отраженное излучение.

РИСУНКИ