ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 117-121
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 681.787
многофункциональный бесконтактный профилометр
на основе перестраиваемого акустооптического фильтра изображений © 2015 г. А. В. Висковатых, А. С. Мачихин, В. Э. Пожар, В. И. Пустовойт
Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН Россия, 117342, Москва, ул. Бутлерова, 15 E-mail: ilovemiracles@mail.ru, тел. +7495 333 24 31 Поступила в редакцию 11.03.2014 г.
Разработан бесконтактный профилометр полного поля, работающий по схеме оптического когерентного микроскопа со спектральной регистрацией. Его особенностью является то, что спектральная селекция осуществляется в приемном канале. Для этого использован акустооптический моно-хроматор изображений. Приведены экспериментальные результаты измерения рельефа поверхности.
DOI: 10.7868/S0032816215010139
ВВЕДЕНИЕ
Оптическая профилометрия широко применяется для визуального контроля и измерения геометрических параметров поверхности микрообъектов в промышленности, биологии и медицине [1, 2]. Возможность бесконтактного восстановления не только профиля, но и топографии исследуемой поверхности появляется при измерении в полном поле [3]. Информация, получаемая профилометрами полного поля, позволяет качественно и количественно оценивать форму и состояние микрорельефа и параметры шероховатости поверхности.
В основе бесконтактных оптических профило-метров полного поля, как правило, лежат интерференционные схемы, применяемые в оптической когерентной микроскопии или цифровой голографии, позволяющие методами цифровой обработки эффективно восстанавливать трехмерную структуру поверхности [4, 5].
Оптическая когерентная микроскопия, использующая интерферометрию низкой когерентности и регистрацию во временной области, позволяющая получать информацию о распределении интенсивности отраженного сигнала по глубине в некотором слое, в настоящее время является одним из основных методов профиломет-рии, используемых на практике. Однако необходимое для данного метода прецизионное пошаговое механическое перемещение по нормали к поверхности образца с требуемым разрешением (~1 мкм) не обеспечивает регистрацию со скоростью, необходимой для многих реальных задач: потокового контроля изделий микроэлектроники, исследования протяженных фотолитографи-
ческих структур и др. Для преодоления этого ограничения предложены методы, называемые оптической когерентной микроскопией (о.к.м.) в спектральной области (с.о.), в которых отсутствуют подвижные части, а распределение интенсивности отраженного сигнала по глубине получают путем пересчета спектральной зависимости сигнала, регистрируемой с помощью перестраиваемого по длинам волн источника света [6].
При выборе объекта для о.к.м. следует вначале выделить элементы микрообъектов с различными физико-химическими свойствами. Это можно осуществить путем регистрации спектральных изображений, которые позволяют визуализировать структуру объекта в поперечном направлении. Таким образом, о.к.м. и спектральная визуализация дают разную информацию об объекте и дополняют друг друга, почему во многих исследованиях необходимо проводить оба вида анализа. Однако при последовательном исследовании объекта на двух разных установках не всегда возможно осуществить однозначную привязку двух изображений, что снижает эффективность такого двойного анализа. Кроме того, состояние объекта за время перемещения может измениться, что не позволяет исследовать нестационарные объекты и переходные процессы в них.
В данной статье предложен новый подход к построению бесконтактных оптических профи-лометров, позволяющий решить указанные проблемы. В ее основе лежит схема о.к.м. полного поля с регистрацией в с.о. за счет фильтрации излучения широкополосного источника с помощью перестраиваемого акустооптического (а.о.) филь-
(а)
(б)
Рис. 1. Схема (а) и внешний вид (б) а.о.-профилометра. 1 — источник света; 2 — конденсор; 3 — светоделитель-компенсатор; 4, 6 — микрообъективы; 5 — исследуемый объект; 7 — опорное зеркало; 8, 10 — скрещенные поляризаторы; 9 — а.о.-ячейка; 11 — выходной объектив; 12 — видеокамера. Каналы интерферометра: I — осветительный, II — объектный, III — опорный, IV — приемный. ПК — управляющий компьютер, — высокочастотный блок а.о.-фильтра.
тра, установленного в приемном канале интерферометра [7].
ПРОФИЛОМЕТР НА ОСНОВЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО АКУСТООПТИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА ИЗОБРАЖЕНИЙ
Акустооптические перестраиваемые фильтры эффективно используются для спектральной фильтрации изображений в различных оптических схемах [7—9]. Их отличают высокое спектральное (до 0.1 нм) и пространственное (до 1000 положений по каждой координате) разрешение, быстрота переключения по спектру (~10 мкс), программное управление [10].
Ранее авторами была предложена схема о.к.м. [7], в которой а.о.-фильтр располагается на выходе интерферометра — в приемном канале. В этой схеме о.к.м. а.о.-фильтр должен обеспечить спектральную фильтрацию двух интерферирующих пучков, переносящих изображение.
Такая фильтрация требует, прежде всего, сохранения интерференционной картины после дифракции на объемной акустической решетке, причем в пределах всего поля зрения. Возможность этого неочевидна по нескольким причинам.
Во-первых, дифракция происходит не на локальной поверхности, а по всему кристаллу. Во-вторых, дифракционная решетка не является статической и соответственно сопровождается сдвигом частоты. В-третьих, решетка, создаваемая акустической волной, не является идеальной вследствие расходимости звуковой волны, ее сноса, переотражений. В-четвертых, возможные искажения пространственного распределения фаз каждого из интерферирующих световых пучков должны быть малы или быть одинаковыми в обоих пучках. Поэтому представляет интерес экспериментальное исследование характеристик а.о.-дифракции двух интерферирующих пучков.
В качестве основы измерительной системы (рис. 1а) использован микроинтерферометр Лин-ника с двумя идентичными микрообъективами 4 и 6 в объектном II и опорном III каналах. В осветительном канале I излучение широкополосного источника света 1 с помощью конденсора 2 подается на светоделитель-компенсатор 3, который делит световой поток и направляет его в опорный III и объектный II каналы.
Микрообъективы 4 и 6 фокусируют излучение на исследуемом объекте 5 и опорном зеркале 7 соответственно, а после отражения света формируют интерферирующие пучки, которые далее сводятся вместе светоделителем-компенсатором 3 в
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ПРОФИЛОМЕТР
119
Рис. 2. Изображения выделенного фрагмента монеты "1 копейка", полученные в широкополосном свете с помощью микроскопа (а) и на длине волны X = 800 нм с помощью а.о.-профилометра (б). Масштаб ~1 мкм/пиксель.
приемном канале IV. Далее пучки фильтруются а.о.-фильтром, состоящим из а.о.-ячейки 9 и скрещенных входного 8 и выходного 10 поляризаторов, и фокусируются объективом 11 на матричном приемнике излучения 12.
Длина волны излучения X, выделяемая а.о.-фильтром, определяется задаваемой с помощью персонального компьютера (ПК) частотой f управляющего сигнала, вырабатываемого высокочастотным (ВЧ) блоком а.о.-фильтра. ВЧ-блок содержит контроллер, который программирует высокочастотный генератор и усилитель, вырабатывающие подаваемый на а.о.-ячейку 9 управляющий сигнал.
Выбор локальной области по глубине образца 5 осуществляется изменением разности хода посредством перемещения объектива 6 с опорным зеркалом 7 в опорном плече III. В каждом положении производится быстрое сканирование по спектру с помощью а.о.-фильтра и синхронная запись интерференционных изображений с помощью видеокамеры 12.
Внешний вид макета профилометра, собранного по этой схеме, показан на рис. 1б. В качестве жесткого несущего основания используется металлографический микроскоп отраженного света, в котором стандартный светоделитель заменен модулем интерферометра Линника с двумя идентичными планахроматическими микрообъективами.
Фильтрация осуществляется а.о.-фильтром из парателлурита (ТеО2) широкоугольной неколли-неарной геометрии, имеющим угловую апертуру 2° х 2°. Хроматический сдвиг изображения в пределах всего рабочего спектрального интервала (750—850 нм) и всего поля зрения не заметен, т.е. полученное изображение не требует коррекции [11, 12].
Особенностью данной оптической схемы является то, что она совмещает функции профило-
S, отсчеты АЦП 3200 h
3000 2800 2600 2400 2200 2000
A
(а)
ЦЩ
1800
740 760 780 800 820
I/Imax
1.0
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
1?
840 860 X, нм
(б)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Z, мкм
Рис. 3. Спектральные зависимости сигнала 8(у) в отдельных пикселях А и Б (рис. 2б) на матричном фотоприемнике излучения (а) и вычисленные зависимости интенсивности отраженного сигнала от глубины /(г) в соответствующих точках объекта (б).
Рис. 4. Вычисленный по результатам измерений профиль поверхности z(x, у) в пределах фрагмента изображения на рис. 2.
метра и спектрального микроскопа. Во втором режиме опорный канал III блокируется непрозрачным экраном так, что в приемном канале IV изображение регистрируется в узкой спектральной полосе, выделяемой а.о.-фильтром 8—10. Важно, что смена режима работы происходит очень быстро, а исследуемый объект 5 не подвергается какому-либо механическому воздействию или перемещению. Это позволяет исследовать в двух режимах нестационарные объекты и процессы, а также обеспечивает взаимную привязку изображений, полученных в этих режимах. Кроме того, в отличие от классической схемы о.к.м. с.о. [13], данная схема позволяет без необходимости юстировки всей системы использовать различные широкополосные источники света: лампы, суперлюминесцентные диоды и др.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве тестового объекта в ходе экспериментов использовалась монета достоинством 1 копейка. На рис. 2а показано изображение исследуемого объемного фрагмента размером 300 х 300 мкм, полученное под микроскопом в широкополосном свете 350—800 нм. Для изучения рельефа методом о.к.м. с.о. были получены N = 110 интерференционных изображени
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.