научная статья по теме ЛАЗЕРНАЯ МОДУЛЯЦИОННАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ КАК СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ ФОРМЫ И ШЕРОХОВАТОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Метрология

Текст научной статьи на тему «ЛАЗЕРНАЯ МОДУЛЯЦИОННАЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ КАК СРЕДСТВО КОНТРОЛЯ ФОРМЫ И ШЕРОХОВАТОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ»

681.723.26

Лазерная модуляционная интерференционная микроскопия как средство контроля формы и шероховатости оптических поверхностей

П. С. ИГНАТЬЕВ1, Л. С. КОЛЬНЕР1, К. В. ИНДУКАЕВ1, В. И. ТЕЛЕШЕВСКИЙ2

1 ООО «Лаборатории АМФОРА», Москва, Россия 2 Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,

Москва, Россия, e-mail: ips@amphoralabs.ru

Рассмотрено применение технологии модуляционной интерференционной микроскопии в качестве эффективного инструмента для контроля качества прецизионных оптических поверхностей с шероховатостью порядка 1 нм и плоскостностью до 10 нм на апертуре до 100 мм.

Ключевые слова: модуляционная интерференционная микроскопия, сверхразрешение, анизотропия, оптическая поверхность.

The different aspects of modulation interference microscopy technology application as an effective tool for quality control of the precision optical surfaces with the roughness of about 1 nm and flatness up to 10 nm at the 100 mm aperture, were considered.

Key words: modulation interference microscopy, super-high resolution, anisotropy, optical surfaces.

В настоящее время в оптической промышленности обозначились технологические проблемы, решение которых на существующем оборудовании не представляется возможным. К их числу относится обработка стеклянных линз, форма которых отличается от геометрической сферы (асферических), в нанометровом диапазоне погрешностей. Чаще всего такие линзы применяют для компенсации сферической аберрации при производстве объективов с большой апертурой, широкоугольных объективов для компенсации искажений и высококачественных компактных зум-объективов.

Перспективный способ получения высококачественной поверхности твердых хрупких кристаллических материалов нанометрового рельефа — удаление поверхностного слоя в режиме квазипластичности. При квазипластичной обработке твердых материалов подача шлифовального круга на обрабатываемую поверхность составляет доли миллиметра за один проход. При этом поверхностный слой хрупких твердых материалов проявляет пластичные свойства и преобладающим механизмом становится не хрупкое разрушение, а квазипластичное удаление поверхностного слоя [1].

Проблемой является достоверный контроль точности формы и шероховатости поверхности асферических линз и других криволинейных поверхностей, так как погрешность измерений должна быть в пределах 0,5—2,0 нм. Такие проблемы возникают, например, при производстве проекционных оптических систем, работающих в коротковолновом диапазоне оптического излучения. Традиционные средства контроля формы оптических поверхностей имеют недостаточно высокое пространственное (латеральное) разрешение, что не позволяет с необходимой точностью воссоздавать микроструктуру поверхности, определяемую функцией нормальных отклонений от заданной формы в зависимости от пространственных координат. Кроме того, разрешающая способность традиционных средств контроля формы оптических поверхностей ограничена 20 нм и определяется точностью считывания координат, соответствующих максимальным значениям интенсивности интерференционных полос.

Измерение шероховатости меньше 1 нм сверхгладких поверхностей также является актуальной задачей нанотехно-логий, применяемых в полупроводниковой и оптической промышленности. Так, оптические элементы современных лазеров и лазерных гироскопов оказались очень чувствительны к качеству изготовления подложек зеркал резонаторов. Увеличение шероховатости зеркала резонатора даже на 0,1 нм приводит к росту дифракционных потерь и, как следствие, к ухудшению характеристик гироскопа. Наиболее распространенные средства измерений шероховатости сверхгладких поверхностей — оптические профилометры и атом-но-силовые микроскопы. Следует отметить, что применение оптических профилометров для этих целей ограничено вследствие низкого разрешения и высокой (до 80 %) погрешности, определяемой шириной спектральной полосы (5 нм) некогерентных источников излучения. В случае использования атомно-силовых микроскопов необходимо учитывать погрешности, вызванные статическим зарядом на исследуемой поверхности. Особую важность приобретают метрологические аспекты измерений шероховатости в диапазоне 0,1—1,0 нм.

В настоящей работе предложен оригинальный метод контроля оптических поверхностей на основе модуляционной интерференционной микроскопии с использованием прецизионного координатного стола на аэромагнитных направляющих с нанометровой точностью позиционирования. Такой подход позволяет исследовать различные оптические поверхности с рекордным разрешением в совокупности с однозначной привязкой к единой координатной сетке размерами 300x300x100 мм и скоростью получения изображений 3—200 кадров/с в зависимости от пространственного разрешения.

Оптическая система и конструктивные особенности модуляционного интерференционного микроскопа (МИМ).

В основу МИМ положены принципы лазерной микроинтерферометрии, позволяющие измерять разность фаз, возникающую при прохождении лазерного излучения через ис-

следуемый микрообъект [2, 3]. Оптическая схема интерференционного канала построена по схеме Линника с фазовым модулятором в опорном плече. Основное преимущество схемы состоит в высокой согласованности объектного и опорного плеч интерферометра, что позволяет получать качественные интерферограммы при работе с некогерентными или слабокогерентными источниками излучения. Именно это преимущество было использовано для создания модернизированной версии микроскопа, работающего с некогерентным источником излучения. Модернизация позволила существенно снизить уровень когерентных шумов микроскопа, увеличить точность автоматической фокусировки и обеспечить точную (порядка 100 нм) регистрацию координаты z полученного изображения (рис. 1).

В качестве источника излучения использован светодиод с длиной волны X = 450 нм. Исследуемый объект 12 размещается на столе под микрообъективом 11. Коллимирован-ный луч лазера 1 разделяется на светоделительном кубике 3 на два пучка. Один — объектный — фокусируется на объекте и после отражения от него, пройдя светоделитель и проекционную линзу 4, отразившись от зеркала 5, попадает на фотоприемник 6, в качестве которого применена 12-битная CMOS камера Lumemera модели LM085M. Другой пучок — опорный — фокусируется объективом 9 на зеркале фазового модулятора 10, осуществляющем линейно-периодическую модуляцию оптической разности хода, и после отражения от зеркала также попадает на фотоприемник. Навигационный канал белого света — оптический микроскоп светлого поля, работающий в отраженном свете, — используется для поиска области съемки и документирования обзорного кадра. Источником излучения служит белый свето-диод 2, который освещает объект через светоделительный кубик 3. Изображение объекта проецируется тубусной линзой 7 на видеокамеру 8 и затем передается в персональный компьютер.

Для обеспечения точной юстировки равенства плеч интерферометра разработано оригинальное приспособление, позволяющее перемещать опорное плечо вдоль оптической оси с подачей до 8 мкм на один оборот юстировочного винта. Для работы с некогерентным источником оптическая схема осветителя, обеспечивающая оптимальную равномерность и контраст интерференционных полос в поле зрения микроскопа, была доработана (рис. 2).

Высокое быстродействие МИМ достигается благодаря использованию высокоскоростных видеокамер, современной электроники и оригинального алгоритма обработки интер-ферограмм.

При вычислении набега фазы ДФ(х, у) используется модифицированный метод ф азовых ш агов [3]. Предметный стол является одним из основных узлов измерительного микроскопа. С ростом увеличения объекта поле зрения микроскопа уменьшается. Возможность проведения сверхточных измерений геометрических и оптических параметров протяженных объектов, размер которых превышает поле зрения микроскопа, непосредственно связана с техническими характеристиками предметного стола [4]. Для обеспечения жесткости, плавности хода и улучшения кинематических характеристик в конструкции стола использованы аэромагнитные направляющие. Подвижные части этих направляющих имеют гарантированный воздушный зазор за счет уравновешивания сил, создаваемых постоянными магнитами и давлением подаваемого воздуха в кинематическую пару.

Рис. 1. Оптическая схема интерферометрической системы МИМ: 1 — лазер; 2 — светодиод белого света; 3 — светоделительный кубик; 4, 7 — проекционная и тубусная линзы; 5 — поворотное зеркало; 6 — камера лазерно-интерференционного канала; 8 — видеокамера канала белого света; 9 — объектив опорного плеча; 10 — фазовый модулятор; 11 — объектив предметного плеча; 12 — исследуемый объект; пунктиром обозначен отраженный сигнал

Магнитная система повышает жесткость направляющих, а аэростатическая — обеспечивает зазор и, следовательно, отсутствие трения и износа. Минимальные потери на трение приводят к незначительным тепловыделениям вследствие малой вязкости газов. Ввиду отсутствия флуктуации сил трения при относительном перемещении подвижных частей, разделенных воздушным слоем, становится возможным перемещение с минимальной скоростью скольжения и высокой точностью позиционирования. Кроме этого, система работает практически без износа, что определяет долговременную стабильность ее технических характеристик.

Разрешающая способность МИМ. В настоящее в ремя нет четкого понимания или определения разрешающей способности интерференционных методов микроскопии. Это связано с тем, что классические способы определения разрешающей способности оптических приборов не учитывают ее зависимости от фазового контраста объекта. Разрешение при фазовых измерениях определяется характеристиками как самого сигнала, так и измерительного прибора. Разрешение по вертикальной оси Т определяется точностью измерения фазы волны, промодулированной объектом. В МИМ разрешение по вертикали с использованием системы активной виброзащиты достигает 0,1 нм. Латеральное разре-

1

Рис. 2. Оптическая схема осветителя со светодиодом: светодиод; 2, 4 — микрообъективы Ломо 10х и 2х, соответ-

ственно; 3 — апертурная диафрагма; 5 — микрообъективы в опорной и об

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком