лазерные технологии и системы: юбилейный сборник избранных трудов КТИ НП СО РАН. - Новосибирск: Гео, 2012. - С. 184-216. [Kiryanov V. P., Kiryanov A. V., Ko-rolkov V. P. Laser pattern generators with circular scanning: new opportunities traditional directions // Optical information measuring and laser technology and systems: a jubilee book of selected papers TDI SIE SB RAS. — Novosibirsk: Geo, 2012. — Р. 184—216. (In Russia)] 3. Ведерников В. М., Верхогляд А. Г., Гуренко В. М. и др. Лазерный генератор изображений для синтеза микрорельефа дифракционных оптических элементов на трехмерных осесимметричных поверхностях // Автометрия. — 2004. — № 2. — С. 46—58. [Vedernikov V. М, Verho-glyad A. G, Gurenko V. M. et al. Laser pattern generator for fabrication the microrelief of diffractive optical elements on 3D axisymmetric surfaces //
Avtometriya. — 2004. — № 2. — P. 46—58. (In Russia)]
4. Liang F, Hu J. Key techniques of laser direct writing of fine lines on the spherical surface // Proc. SPIE 6034, IC020: Optical Design and Fabrication, 60340G (1 February 2006).
5. Radtke D, Stumpf M, Zeitner U. D. Advances in lithography on non-planar surfaces // Proc. SPIE 7716, Micro-Optics 2010, 77160Z (May 13, 2010).
6. Грейсух Г. И., Безус Е. А., Быков Д. А. и др. Дифракционные элементы в оптических системах современной оптоэлектроники // Оптический журнал. — 2009. — Т. 76, № 7. — С. 25—29. [Greysyh G. I., Bezus E. A., Bikov D. A. et al. Diffractive element in optical systems of the modern optoelectronics // Optical journal. — 2009. — Vol. 76, № 7. — P. 25—29. (In Russia)]
7. Handbook of Optics. MacGraw-Hill Companies, Inc. — 1995. — Vol. VI. — P. 31.14.
8. Верхогляд А. Г., Завьялова М. А., Касторский Л. Б. и др. Круговая лазерная записывающая система для изготовления ДОЭ на сферических поверхностях // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI междунар. науч. конгр. и выставка (Новосибирск, 20—24 апр. 2015 г.): Междунар. науч. конф. "Сиб0птика-2015": сб. матер. В 3 т. — Новосибирск, 2015. — Т. 2. — С. 62—68. [Verhoglyad A. G, Zavyalova M. A., Kastorsky L. B. et al. Application of circular laser writing system for fabrication of does on spherical surfaces // Interexpo GEO — Siberia—2015. XI international scientific congress and exhibition (Novosibirsk, 20—24 April 2015): international scientific conference "SibOptics—2015": а book of selected papers in 3 vol. — Novosibirsk, 2015. — Vol. 2. — P. 62—68. (In Russia)]
УДК 681.723.26:681.786.5
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МИКРОПРОФИЛОМЕТР
OPTICAL INTERFERENCE MICROPROFILOMETER FOR HIGH SPEED
MEASUREMENTS
Сысоев Евгений Владимирович
канд. техн. наук, вед. научн. сотрудник Е-mail: evsml@mail.ru
Выхристюк Игнат Александрович
зав. лабораторией Е-mail: uic@ngs.ru
Куликов Родион Владимирович
мл. научн. сотрудник Е-mail: rstalcker@ngs.ru
Поташников Анатолий Кириллович
канд. техн. наук, гл. научн. сотрудник Е-mail: potash@tdisie.nsc.ru
Широков Василий Владимирович
аспирант, мл. научн. сотрудник Е-mail: stewie89@mail.ru
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, г. Новосибирск
Sysoev Evgeny V.
Ph. D. (Tech.), Senior Researcher Е-mail: evsml@mail.ru
Vykhristuk Ignat A.
Head of Laboratoty Е-mail: uic@ngs.ru
Kulikov Rodion V.
Associate Scientist Е-mail: rstalcker@ngs.ru
Potashnikov Anatoly K.
Ph. D. (Tech.), Chief Scientific Officer Е-mail: potash@tdisie.nsc.ru
Shirokov Vasily V.
Postgraduate, Associate Scientist Е-mail: stewie89@mail.ru
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the RAS, Novosibirsk city
Аннотация: Представлена структура оптического интерференционного профилометра, позволяющего измерять микрорельеф поверхности на площади до 36 мм с субмикронным разрешением со скоростью сканирования по высоте не менее 20 мкм/с. Принцип работы профилометра основан на использовании интерференции белого света. Измерение рельефа производится посредством расчета фазовой функции волнового фронта света, рассеянного контролируемой поверхностью. Приведены функциональные возможности и технические характеристики профилометра, а также рассмотрены возможные сферы его применения.
Ключевые слова: интерферометр белого света, бесконтактное оптическое измерение, микрорельеф, нанорельеф, 3Б-ре-конструкция.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время отчетливо прослеживается тенденция развития высокотехнологичных промышленных производств, направленная на повышение производительности и использования безлюдных технологий, которые предполагают полную автоматизацию производственных процессов, в том числе и контрольно-измерительных. Требования к работающему в линии контрольно-измерительному оборудованию возрастают по целому ряду параметров, таких как: полная автоматизация контроля, высокая производительность обработки измерительных данных, высокая помехоустойчивость, бесконтактный неразрушающий характер измерений и т. д.
В процессе производства часто требуется с высокой точностью бесконтактно контролировать такие параметры поверхности изделия, как рельеф, шероховатость, наличие дефектов и пр. Для решения этих задач больше всего подходят контрольно-измерительные системы, работа которых основана на использовании интерференции белого света [1, 2], что связано с высокой точностью и достоверностью измерительных данных интерференционных микроскопов-профилометров.
Интерференционная низкокогерентная интерферометрия также широко применяется для решения метрологических задач и в научных исследованиях [3, 4].
Недостатком существующих контрольно-измерительных систем, основанных на применении фазосдви-гающей интерферометрии, является их низкая производительность. Это связано с тем, что в процессе измерения производится сканирование фазы и регистрируется большое количество интерферограмм. Смещение фазы осуществляется механически, и требуются определенные задержки между шагами сканирования для точного определения положения координаты сканирования и обработки оцифрованного потока. Даже с применением современных персональных компьютеров математическая обработка оцифрованных интерферограмм является одним из узких мест, снижающих производительность измерений.
В данной работе представлено развитие программно-алгоритмических средств с целью увеличения быст-
Abstract: The structure of optical interference profilometer allowing to measure surface microrelief on square up to 36 mm2 with submicron resolution and scanning speed by height not less than 20 mkm/s is presented. The operation principle of profilometer is based on use of white light interference. The relief measurement is carried out by means of calculation of wavefront phase function of light scattered by surface under inspection. The functional capabilities of profilometer and its performance specifications are given as well as the possible spheres of its application are considered.
Keywords: white light interferometer, non-contact optical measurement, microreleif, nanorelief, 3D-reconstruction.
родействия автоматизированных интерференционных измерений. Представлена структура оптического интерференционного профилометра, позволяющего измерять микро- и нанорельеф поверхности с субмикронным и субнанометровым разрешением и с высокой скоростью сканирования по высоте. Приведены функциональные возможности и технические характеристики профило-метра, а также рассмотрены возможные сферы его применения.
СТРУКТУРА ПРОФИЛОМЕТРА
Представленный оптический интерференционный профилометр структурно состоит из трех основных блоков: измерительного, электронного и контрольно-вычислительного (рис. 1).
Измерительный блок разработан на принципах оптической интерферометрии и в основе имеет сканирующий интерферометр белого света, выполненный по схеме микроинтерферометра Линника [5]. В состав интерферометра входят: источник света с малой длиной когерентности; светоделитель; два микрообъектива; опорное зеркало, закрепленное на пъезокерамическом ак-тюаторе; объект исследования и цифровая ПЗС-камера.
Измерительный блок собран на массивном основании с кронштейном, на котором закреплен моторизо-
Рис. 1. Общий вид профилометра:
а — измерительный блок; б — электронный блок; в — контрольно-вычислительный блок
ванный столик вертикального перемещения с интерферометром и датчик перемещения (оптическая линейка) для контроля положения интерферометра. На основании смонтирован предметный столик, предназначенный для установки исследуемого объекта и позиционирования его в области измерения путем горизонтального перемещения по двум координатам.
Электронный блок предназначен для управления взаимодействием составных частей измерительного блока, расчета положения интерферометра и синхронизации работы фазового модулятора, осветителя и видеокамеры.
Контрольно-вычислительный блок представляет собой персональный компьютер со встроенными платами расширения для управления моторизованными столиками и видеограббером для получения изображения с видеокамеры. Также в состав компьютера входит видеоадаптер с поддержкой технологии параллельных вычислений. На компьютере установлено оригинальное программное обеспечение для работы с профило-метром, обработки и анализа результатов измерения.
ИЗМЕРЕНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА
Измерение 3D-рельефа поверхности выполняется по методу дифференциальных интерферограмм (ДИ) [6]. Для каждой измеряемой точки p(x, y, h) координаты в горизонтальной проекции (x, y) определяются положением и размером пикселя на матрице видеокамеры, а также параметрами оптической системы, а высота h определяется в процессе вертикального сканирования контролируемой поверхности с заданным шагом. Так как измеряемой координатой точки р является только высота, то 3D-рельеф можно представить в виде функции h(x, y).
Интенсивность света I, регистрируемую в поле измерения, можно представить в виде суммы фоновой If и интерференционной I составляющих:
I(x, y, z) = f(x, y) + I(x, y, z),
где z — координата сканирования.
Фоновая составляющая при вертикальном сканировании существенно не меняется, а составляющая света I отличн
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.