Установка для измерения микрорельефа поверхности с использованием метода фазовых шагов

Изобретение относится к области оптико-электронных измерительных приборов и предназначено для получения информации о двумерном распределении высот микрорельефа поверхностей, которые применяются в оптическом приборостроении, микроэлектронике и материаловедении. Установка для измерения микрорельефа поверхности с использованием метода фазовых шагов содержит виброзащитную опору, предметный столик, осветитель с коллиматором, цифровую видеокамеру и интерференционный микроскоп, выполненный по схеме Линника. Устройство снабжено сменными микрообъективами. Предметный столик выполнен подвижным и расположен под микрообъективом объектного канала. Осветитель выполнен в виде точечного низкокогерентного светодиода. Опорное зеркало референтного канала выполнено на базе моноатомного слоя кремния. Опорное зеркало жестко связано с микрообъективом референтного канала в едином блоке, который перемещается посредством пьезопривода с обратной связью. Настройка микроскопа производится по базовой плоскости. Технический результат – возможность получения значения высоты профиля и шероховатости профиля в субнанометровом диапазоне с большей точностью, а также расширение диапазона измерений и повышение стабильности показаний при длительных измерениях. 4 ил.

 

Устройство относится к области оптико-электронных измерительных приборов. Оно предназначено для получения информации о двумерном распределении высот микрорельефа поверхностей, которые применяются в оптическом приборостроении, микроэлектронике и материаловедении.

Устройство представляет собой интерференционный микроскоп с двумерным фотоприемником и фазосдвигающим блоком. Фазосдвигающий блок представляет собой узел, расположенный в референтном оптическом канале интерференционного микроскопа по схеме Линника, содержащий гладкое (моноатомное) зеркало с шероховатостью Ra=0,05 нм, микрообъектив и систему микрометрического и нанометрического перемещения, управляемую от ПК. Зеркало находится в передней фокальной плоскости микрообъектива. Система перемещения перемещает зеркало и микрообъектив как единое целое. Полученные фазовые сдвиги используются для реконструкции по методу фазовых шагов (James С. Wyant, Phase-Shifting Interferometry. 2001. - 39 с.).

Такое устройство может использоваться для получения информации о шероховатости субнанометрового диапазона. Например, в оптической профилометрии и интерференционной микроскопии, для изучения живых клеток, исследования оптических элементов.

Известен интерференционный микроскоп МИИ-4М (Россия) - который является микроскопом по схеме Линника (Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. Л., «Машиностроение», 1976, 196 с.) (Линник В.П. Прибор для интерференционного исследования отражающих объектов под микроскопом ("микроинтерферометр"). - ДАН СССР, 1933, №1, с. 18-23).

В плоскости фотоприемника данного микроскопа интерферируют два волновых фронта, которые формируют изображения объекта и опорного зеркала. Таким образом, в данной интерференционной схеме вместо истинного профиля поверхности объекта всегда восстанавливается разностная картина, в которую входит профиль поверхности опорного зеркала. В результате чего аберрации оптической схемы и шероховатость опорного зеркала искажают волновой фронт, внося тем самым систематическую составляющую ошибки измерения.

Недостатком данного прибора является наличие несъемных микрообъективов в конструкции интерферометра. Так как микрообъективы определяют числовую апертуру, которая напрямую влияет на разрешающую способность, данный микроскоп имеет фиксированное увеличение.

В данном устройстве микрообъектив и зеркало в референтном канале совмещены в единую сборку, однако, данная сборка не имеет возможности перемещения, и с помощью данного устройство невозможно реализовать метод фазовых шагов.

Данный прибор не автоматизирован. Расшифровка интерференционных изображений осуществляется визуально.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является автоматизированный интерференционный микроскоп МИА-1М (Россия) (Минаев В.Л. Интерференционный микроскоп для измерения формы поверхности в микро и нанодиапазонах // Метрология - 2012 - №7 - С. 19-24.). Недостатком данного прибора является использование в составе источника монохромного излучения (лазера). Дифракция когерентного света на краях апертуры и любых неоднородностях оптических элементов, многократные переотражения света от оптических поверхностей различных элементов - все это ведет к появлению паразитных интерференционных полос и спекл-структуры, искажающих результирующее изображение.

Изменения оптической разности хода в микроскопе между референтным и объектным пучками происходит путем смещения только опорного зеркала, расположенного перед микрообъективом, которое приводит к небольшой дефокусировке изображения зеркала референтного канала и изменению контраста полос, что увеличивает ошибку реконструкции.

Подвижной частью в микроскопе является сама конструкция интерферометра (консоль интерферометра). Таким образом, при длительных измерениях массивная консоль может перемещаться вдоль вертикальной оси интерферометра под собственным весом при этом будет теряться фокусировка. Данный факт отрицательно сказывается на стабильности измерений, особенно на измерениях, которые проводятся на продолжительном промежутке времени.

В конструкции микроскопа используются несъемные микрообъективы, по этой причине устройство обладает недостатками аналогичными МИИ-4М.

Кроме того, в качестве опорного зеркала используется зеркало шероховатость которой составляет Ra=0,8 нм, что не позволяет исследовать на данном микроскопе поверхности с более «гладкими» поверхностями. Так как поверхность опорного зеркала неидеальная, то его дефекты (царапины, пылинки) и микрорельеф зеркала будет по-разному выглядеть в плоскости регистратора. Это ведет к дополнительной амплитудной модуляции и изменению кривизны волнового фронта референтного канала, что недопустимо, так как это вносит вклад в измеряемую шероховатость поверхности объекта.

Заявляемое изобретение было разработано как результат решения задачи повышения точности и стабильности определения высоты микрорельефа, а также расширение диапазона измерений в латеральной плоскости.

Это достигается тем, что интерферометр (фиг. 1) имеет оптическую схему Линника и содержит, двумерный фотоприемник 1 и фазосдвигающий блок 2, включающий опорное зеркало с моноатомной поверхностью 3 и сменный микрообъектив 4 в едином подвижном узле, перемещаемом с помощью микроподачи и пьезоподачи 5. В состав микроскопа входят осветитель 6 на основе точечного светодиода и схема управления 7. Интерферометр 8, выполненный по схеме Линника и установленный на виброзащитной опоре, содержит светоделитель 9 и два сменных микрообъектива 4 и 10. Для настройки микроскопа используется эталонная плоскость 11, которая располагается в объектном канале интерферометра и представляет из себя моноатомную поверхность. Управление работой фазосдвигающего блока и осветителя осуществляется с помощью ПК 12.

Осветитель 6 представляет собой светодиод и оптическую схему, формирующую точечный источник света. Возможно использование светодиода с малой излучающей площадкой, т.н. точечного источника (point source led) без дополнительной оптической схемы.

Такой источник позволяет обеспечить высокую степень пространственной когерентности излучения, но при этом степень временной когерентности остается низкой, поскольку спектр подобных источников достаточно широкий. В результате данное решение позволяет убрать спекл-структуры в интерферограммах, что в свою очередь, снижает количество фазовых шумов.

Для повышения точности измерения поверхностей с низкой шероховатостью предлагается использовать моноатомную поверхность в качестве опорного зеркала. Например, использовать нанострукутру кремния (Способ формирования плоской гладкой поверхности твердотельного материала. Сотников С.В., Косолобов С.С., Щеглов Д.В., Латышев А.В. // Патент на изобретение (Россия) №2453876 от 20.06.2012, Бюл. №17.), имеющую большой поперечный размер и шероховатость в субнанометровом диапазоне высот порядка Ra=0,05 нм.

Для повышения стабильности измерений во времени схема интерферометра жестко закреплена. Подвижной частью прибора, обеспечивающим фокусировку на исследуемый объект, является предметный столик. Во время измерений столик может быть дополнительно фиксирован.

Для компенсации аберраций оптической системы интерферометра перед проведением измерения записывается профиль эталонного гладкого зеркала, который в дальнейшем вычитается из полученных данных. В качестве эталонного зеркала можно использовать моноатомную поверхность с наноструктурой кремния (Способ формирования плоской гладкой поверхности твердотельного материала. Сотников С.В., Косолобов С.С., Щеглов Д.В., Латышев А.В. // Патент на изобретение (Россия) №2453876 от 20.06.2012, Бюл. №17.).

Для компенсации дефокусировки изображения опорного зеркала и увеличения контраста полос предлагается сдвигать зеркало и микрообъектив в единой сборке.

Фиг. 2 показывает исходное состояние референтного канала интерферометра без сдвига. Для осуществления фазового сдвига предлагается перемещать микрообъектив 4 вместе с опорным зеркалом 3. На оптической схеме фиг. 2 также присутствует проекционный объектив 13, который вместе с микрообъективом образует афокальную телескопическую систему, и плоскость регистратора 14. На фиг. 3 показано перемещение только опорного зеркала, цифрой 15 отмечена плоскость, в которой формируется изображение. На фиг. 4 иллюстрировано перемещение единой сборки микрообъектива с зеркалом. Так как микрообъектив и опорное зеркало объединены в единый закрытый узел, это позволяет избежать дефокусировки опорного зеркала и повысить точность измерения. При настройке микроскопа для грубого перемещения этого узла используется микрометрическая подача. При проведении измерений узел перемещается с помощью пьезопривода.

Применение съемных объективов в конструкции установки позволяет расширить диапазон измерений в латеральной плоскости.

Для уменьшения фотометрических шумов при проведении измерений используется накопление интерференционных изображений с последующим усреднением. Для уменьшения фазовых шумов используется усреднение по измерениям.

Таким образом, предложенное устройство позволяет получить значения высоты профиля и шероховатости профиля в субнанометровом диапазоне с большей точностью, а также расширить диапазон измерений и повысить стабильность показаний при длительных измерениях.

Установка для измерения микрорельефа поверхности с использованием метода фазовых шагов, содержащая виброзащитную опору, предметный столик, осветитель с коллиматором, цифровую видеокамеру и интерференционный микроскоп, выполненный по схеме Линника и включающий светоделитель, а также снабженные сменными микрообъективами объектный канал и референтный канал с опорным зеркалом, причем интерферометр жестко закреплен на виброзащитной опоре, а предметный столик выполнен подвижным и расположен под микрообъективом объектного канала, осветитель выполнен в виде точечного низкокогерентного светодиода, опорное зеркало референтного канала выполнено на базе моноатомного слоя кремния и жестко связано с микрообъективом референтного канала, снабженным пьезоприводом с обратной связью, интерференционный микроскоп выполнен с возможностью настройки по базовой плоскости.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений, раскрывающая способ определения параметров объекта и устройство для его реализации, относится к методам дифференциально-фазовой профилометрии и используется для экспресс-анализа с целью определения количества и размеров частиц в маслах, в прозрачных веществах и биологических средах.

Микроскоп может быть использован при юстировке оптических систем, а также для контроля погрешностей центрирования линз. Микроскоп содержит два измерительных канала.

Микроскоп содержит осветительный блок, в котором из коллимированного света формируется квадратная матрица лучей дифракционным оптическим элементом, фокусирующим эти лучи в плоскость матрицы конфокальных диафрагм и направляющим их через светоделительный кубик, модуль сканирования и фокусирующую оптику на объект.

Изобретение относится к микроскопии отдельных биологических организмов в жидком образце. Изображения, на которых могут быть идентифицированы отдельные биологические организмы, объединяют для создания наборов оптических срезов биологических организмов, и наборы оптических срезов анализируют для определения значения по меньшей мере одного параметра, описывающего микробную активность указанного отдельного биологического организма в каждом контейнере для образца.

Изобретение относится к микроскопии. Согласно способу формирование изображения микрообъекта реализуют при помощи конфокального сканирующего микроскопа.

Изобретение относится к бесконтактным способам измерения линейных размеров, износа, а также к устройствам для их осуществления. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано при сравнительном анализе объектов, в частности для идентификационных исследований в области криминалистики.

Изобретение относится к области спецтехники и может быть использовано для обнаружения и опознавания скрытых объектов по тепловому излучению в полевых условиях как в дневное, так и в ночное время.

Изобретение относится к устройствам для контроля поверхности реактора. Устройство для контроля поверхности реактора содержит, по меньшей мере, один сенсорный кабель, расположенный при работе устройства отдельными участками в зоне поверхности реактора, при этом один волоконный световод расположен в одном сенсорном кабеле.

Изобретение относится к области электрохимической обработки материалов и касается способа определения толщины покрытия. Способ включает в себя измерение через 5-300 с после начала обработки интенсивности излучения детали в диапазоне длин волн шириной 3-50 нм, включающем характеристическую спектральную линию излучения материала детали, расположенную в области длин волн 200-900 нм.

Изобретение относится к установкам для напыления в вакууме многослойных покрытий различных оптических элементов и может быть использовано для контроля толщины покрытий в широком спектральном диапазоне в процессе их напыления.

Группа изобретений относится к способу и устройству проверки инспекционной системы для обнаружения поверхностных дефектов продукта. Способ проверки инспекционной системы (1) и система для реализации способа для обнаружения поверхностных дефектов (2, 3) продукта (5), преимущественно плоского стального продукта, в котором с помощью одной камеры (6), преимущественно цифровой камеры, делают один снимок (10) одной поверхности (4) одного продукта (5), один снимок (10) в оцифрованном изображении передают на устройство (7) обработки изображений, одно оцифрованное изображение (11, 12) поверхностного дефекта (2, 3) интегрируют в оцифрованный снимок (10), с помощью устройства (7) обработки изображений и с помощью оцифрованного снимка (10), включая оцифрованное изображение (11, 12) поверхностного дефекта (2, 3), обнаруживают недостаток и определяют, распознает ли устройство (7) обработки изображений оцифрованное изображение (11, 12) поверхностного дефекта (2, 3) как недостаток на проверяемой поверхности (4).

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и касается способа измерения толщины тонкопленочного покрытия на теплопроводной подложке. Способ включает в себя нанесение на покрытие тонкого слоя прозрачной жидкости и локальный нагрев покрытия пучком лазера.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для простого и быстрого измерения площадей потолка и определения формы потолка на основе сканирования близпотолочной поверхности стен внутри помещений.

Группа изобретений относится к технологиям калибровки камеры посредством вычислительного устройства. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств, направленных на калибровку камеры.

Изобретение относится к способам оптико-физических измерений. Способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов включает измерения эллипсометрических параметров и пленки соответствующего металла или его сплава, предварительно нанесенной путем вакуумного напыления на подложку с последующим расчетом значений констант.

Способ определения расстояния до границ объекта включает измерение размера изображения в плоскости изображений оптического прибора со светочувствительной матрицей, осуществление перемещения прибора вдоль его линии визирования по направлению к объекту или от него на фиксированное расстояние, вновь измерение размера изображения объекта.

Группа изобретений относится к проекционной технике. Лазерный прибор для проецирования структурированной картины освещения на сцену сформирован из нескольких матриц лазеров VCSEL, причём каждая матрица расположена на отдельном кристалле VCSEL и содержит нерегулярное распределение излучающих областей полупроводниковых лазеров.

Устройство для обнаружения поверхностных дефектов цилиндрических объектов относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в производстве ядерного топлива, в частности для обнаружения дефектов внешнего вида на боковой поверхности топливных таблеток.

Изобретение относится к области оптико-электронных измерительных приборов и предназначено для получения информации о двумерном распределении высот микрорельефа поверхностей, которые применяются в оптическом приборостроении, микроэлектронике и материаловедении. Установка для измерения микрорельефа поверхности с использованием метода фазовых шагов содержит виброзащитную опору, предметный столик, осветитель с коллиматором, цифровую видеокамеру и интерференционный микроскоп, выполненный по схеме Линника. Устройство снабжено сменными микрообъективами. Предметный столик выполнен подвижным и расположен под микрообъективом объектного канала. Осветитель выполнен в виде точечного низкокогерентного светодиода. Опорное зеркало референтного канала выполнено на базе моноатомного слоя кремния. Опорное зеркало жестко связано с микрообъективом референтного канала в едином блоке, который перемещается посредством пьезопривода с обратной связью. Настройка микроскопа производится по базовой плоскости. Технический результат – возможность получения значения высоты профиля и шероховатости профиля в субнанометровом диапазоне с большей точностью, а также расширение диапазона измерений и повышение стабильности показаний при длительных измерениях. 4 ил.

Наверх