Лазерний нанопрофілометр

Лазерний нанопрофілометр, який складається з корпусу, на якому закріплені і оптично зв'язані між собою лазер, дефлектор, світловий дільник, фокусуючий мікрооб'єктив, два фотоприймачі опорного і вимірювального сигналів і предметний столик, а також з генератора керуючих сигналів, електрично зв'язаного з дефлектором, і блока керування та обробки даних, що електрично зв'я C2 2 (19) 1 3 рної частоти, фазового детектора і блока обробки даних, причому в блок обробки сигналів входить модуль апроксимації даних про різницю фаз відбитих променів отриманих при скануванні еталонної поверхні, а також два модулі інтегрування і два модулі порівняння, і швидкісний двоканальний аналого-цифровий перетворювач. Основним недоліком даного пристрою, є наявність великої кількості електронних аналогових блоків, швидкісного двоканального аналого-цифрового перетворювача і двох однокординатних акустооптичних дефлекторів. Все це ускладнює даний пристрій, звужує функціональні можливості і знижує надійність його роботи, а також підвищує його вартість. Технічною задачею, на розв'язання якої направлений даний винахід, є підвищення надійності роботи, розширення функціональних можливостей і ефективності відомого пристрою, зменшення габаритів і вартості відомого пристрою. Поставленої мети в даному винаході досягається за рахунок того, що у відомому пристрої, який складається з корпусу, на якому закріплені і оптично зв'язані між собою лазер, дефлектор, світловий дільник, фокусуючий мікрооб'єктив, два фотоприймачі опорного і вимірювального сигналів і предметний столик, а також з генератора управляючих сигналів, електрично зв'язаного з дефлетором, і блоку керування та обробки даних, що електрично зв'язаний з генератором управляючих сигналів і фотоприймачами опорного і вимірювального сигналів, між лазером і дефлектором введені оптично зв'язані з лазером нейтральний послаблювач світла і біпризмовий розщеплювач лазерного пучка на два параксіальні пучки з кутом / d0 , де сходження - довжина хвилі і d0 діаметр лазерного пучка, а між світловим дільником і фотоприймачами опорного і вимірювального сигналу введено два оптично зв'язані з ними додаткові об'єктиви, і самі фотоприймачі виконані в виді матриць приладів з зарядовим зв'язком (ПЗЗ матриць), а дефлектор виконаний в виді двокоординатного дефлектора з можливістю незалежного відхилення лазерного пучка по кожній координаті / d0 при макисмальнона мінімальний кут min му куті відхилення max NA, де NA - числова апертура фокусуючого мікрооб'єктива і встановлений таким чином, що напрямки сканування дефлектора по осі х і у складають 45° з напрямком розщеплення лазерного пучка біпризмовим розщеплювачем, а предметний столик з'єднаний з корпусом через вузол автофокусування, і блок керування та обробки даних виконаний в виді персонального комп'ютера, який з'єднаний кабельними лініями з генератором управляючих сигналів, двома фотоприймачами і двигуном автофокусування. Оптична схема пристрою, його основні блоки і зв'язки між ними представлені на фігурі 1. Оптична частина пристрою складається з закріплених в корпусі нанопрофілометра одномодового лазера 1, який оптично зв'язаний з нейтральним послаблювачем світла 2, з біпризмовим розщеплювачем лазерного пучка 3, з двохкоординатним акустооптичним чи електрооптичним дефлектором 4, з світловим дільником 5, з мікрооб'єктивом 6, з пред 90904 4 метним столиком з вимірювальним зразком 7, з двома додатковими об'єктивами 8, і двома ПЗЗматрицями 9. Крім того, в склад пристрою входить зв'язаний кабельною лінією з двокоординатним дефлектором генератор управляючих сигналів 10 і персональний комп'ютер 11, який зв'язаний кабельною лінією з генератором управляючих сигналів і двигуном з предметного столика. Зверху на в виносці A-A на фігурі 1 представлена схема розщеплення лазерного пучка біпризмовим розщеплювачем на два пів-пучки, які сходяться під малим кутом напрямку показаному звичайними стрілками, а також фігурними стрілками показані напрями сканування осях х і у цих двох пів-пучків двокоординатним дефлекторм. Працює даний лазерний профілометр наступним чином. Лазерний пучок з гаусівським розподілом інтенсивності в поперечному перерізі (мода ТЕМ00) ослаблюється до заданої величини нейтральним послаблювачем світла і розділяється біпризмовим розщеплювачем на два однакові півпучки, які є майже паралельні і сходяться під малим кутом . Ці пучки проходять через двокоординатнии дефлектор і світловим дільником розділяються на дві частини. Одна частина випромінювання, яка також складається з двох пучків відводиться світловим дільником на перший додатковий об'єктив, який їх фокусує на поверхню першої ПЗЗ матриці. Друга частина з двох пучків фокусується мікрооб'єктивом на поверхню досліджуваного зразка на предметному столику в дві f / d0 , де точки, діаметри яких рівні і їх розмір d NA -числова апертура фокусуючого мікрооб'єктива. Величина d 1мкм для гелій неонового лазера при NA=0,60. Центри цих двох точок рознесені між собою на віддалі рівній їх діаметру d, а відповідно по осях х і у на величину y ftg sin45 0,7 f / d0 . Відбиті від досліджуваного зразка два лазерні пучки після фокусуючого мікрооб'єктива стають майже паралельними (розходяться між собою під дуже малим кутом ) і відводяться світловим дільником на другий додатковий об'єктив, який їх фокусує їх на поверхню другої ПЗЗ матриці. Обидві ПЗЗ матриці встановлюються в зоні максимального перекриття розщеплених пучків. Тому на масиві mn-пікселів першої ПЗЗ матриці ми отримуємо фотоелектричне відображення опорної інтерференційної картини, яка створюється падаючими на досліджуваний зразок лазерними пучками, а на масиві mn-пікселів другої ПЗЗ матриці отримуємо фотоелектричне відображення інтерференційної картини, яку створюють лазерні пучки відбиті від першої і другої точки досліджуваного зразка. Ці точки знаходяться на малій (біля 1мкм) віддалі одна від другої лазерні пучки, і їх інтерференційне зображення на ПЗЗ матриці формується з декількох сотень пікселів. Це дозволяє зареєструвати дуже мале значення різниці ходу для лазерного випромінювання, яка виникає при його відбиванні від таких дуже близьких точок, а відповідно визначити і зміни в формі поверхні досліджуваного зразка. x 5 Щоб визначити і зміни в формі поверхні досліджуваного зразка в двох інших точках з допомогою двокоординатного дефлектора по заданій команді персонального комп'ютера і під дією електричних сигналів з генератора управляючих сигналів розщеплені пучки швидко відхиляються по одній координаті х на кут за час t 0 І отримуються в даному положенні протягом довшого проміжку часу t 10 0. Далі знову відхиляються по тій же кординаті х на кут 2 за час t 0 І отримуються в даному положенні протягом проміжку часу t 10 0. Після одного проходу вздовж осі х значення координати у змінюється на величину y=ftg і знову здійснюється дискретне сканування по осі х. Характерні величини часу 0 визначаються з технічних характеристик ПЗЗ матриць, Величина фотоелектричного сигналу J1 для кожного пікселя першої ПЗЗ матриці пропорційна інтенсивності I1 опорної інтерференційної картини J1=kI1=k(E11+E12cos 0)2, де E11, і Е12 - амплітуди оптичної хвилі першого і другого розщепленого пучка, які відводяться розщеплювачем профілометра на першу ПЗЗ матрицю, 0 - різниця фаз між цими пучками, k - коефіцієнт пропорційності. Величина фотоелектричного сигналу J2 для кожного пікселя другої ПЗЗ матриці пропорційна інтенсивності I2 вимірювальної інтерференційної картини, яку створюють лазерні пучки відбиті від першої і другої точки досліджуваного зразка. J2=kI2=k[E21+E22cos( 0+ 1)]2, де E21, і E22 - амплітуди оптичної хвилі першого і другого розщепленого пучка, які відбиваються від першої і другої точки досліджуваного зразка, 1 - різниця фаз між цими пучками 1=4 h/ , де h -відхилення в точці вимірювання форми поверхні досліджуваного зразка 90904 6 від ідеальної сфери. Зі значень виміряної величини різниці J2 – J1 для двох масивів даних (опорний і досліджуваний) ми можемо знайти для всієї поверхні досліджуваного зразка величину h відхилення форми поверхні досліджуваного зразка від ідеальної сфери. Використовуючи відомі програми обробки зображень ми можемо отримати й побудувати трьох мірне зображення поверхні досліджуваного зразка. Роздільна здатність по осях координат х і у задається роздільною здатністю фокусуючого мікрооб'єктива, а роздільна здатність по осі z набагато більша і в залежності від відбиваючої здатності досліджуваного зразка може досягати 1 нм. Для підвищення точності вимірювання ми можемо провести сканування по осі у. Нейтральний послаблювач світла дозволяє змінювати інтенсивність лазерного пучка для забезпечення роботи ПЗЗ матриць в області їх лінійності. Нами було проведена експериментальна перевірка запропонованого технічного рішення на базі: одномодового гелій-неонового лазера ЛГ-52; розщеплювала лазерного пучка, який виготовлявся шляхом вирізання двох пластин з плоскопаралельної пластинки плавленого кварцу з клиновидністю 3 кутових секунди; двокординатного акустооптичного дефлектора; фокусуючого мікрооб'єктива з числовою апертурою NA=0,60; додаткових об'єктивів з апертурою NA=0,1; двох ПЗЗ матриць 1200x1100 пікселів. Результати вимірювань тестового сферичного дзеркала оброблені на персональному комп'ютері показали (фігура 2), що даний винахід може бути рекомендований для освоєння на виробництві і він дозволяє отримати високу роздільну здатність. 7 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 90904 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601