Исследование неоднородности волнового фронта, образованного в дифракционном интерферометре тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Ли Кенг Хи

• Ли Кенг Хи
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ли Кенг Хи

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ВОЛНОВОГО ФРОНТА, ОБРАЗОВАННОГО В ДИФРАКЦИОННОМ ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ.!

ВВЕДЕНИЕ.2

Аннотация.2

Актуальность работы.2

Объекты исследований:.5

Предмет исследования:.6

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМАТИКЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.6

Оптические измерительные изображения второго рода: теневая картина (тенеграмма).10 гартманограмма.15

Интерферограмма.20

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И КОНЦЕПЦИЯ ДИФРАКЦИОННОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ.26

Классические лазерные интерферометры.29

Альтернативный интерферометр с дифракционным опорным волновым фронтом.30

Относительно формы и структуры дифрагированного волнового фронта.37

Исследование формы дифрагированного опорного фронта.44

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ И ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ.47

Функции преобразования систем формирования интерференционного изображения.47

Анализ погрешностей метода интерферометрии.54

ГЛАВА 4. СТРУКТУРА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ И СХЕМНОЕ РЕШЕНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА.61

ГЛАВА 5. ВЫСОКОТОЧНАЯ ОБРАБОТКА И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ СЛОЖНЫХ

ИНТЕРФЕРОГРАММ.75

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование неоднородности волнового фронта, образованного в дифракционном интерферометре»

Аннотация

Рассмотрены задачи разработки и оптимизации методов и аппаратуры лазерной дифракционной интерферометрии, реализации лазерного интерферометра с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии (Point Diffraction Interferometer - PDI). Разработан и исследован лазерный интерферометр с дифрагированным опорным волновым фронтом. Предложены и теоретически обоснованы решения для достижения наивысшей точности интерферометра благодаря применению фазового режима интерпретации интерферограммы.

Актуальность работы

Актуальность темы диссертационного исследования обусловлена необходимостью радикального повышения точности процесса контроля и исследований качества изготовления оптических систем и поверхностей высокой точности, а также упрощения и удешевления процесса контроля путем применения принципиально новых методов и аппаратуры контроля.

Современное оптическое приборостроение характеризуется непрерывным увеличением объемов выпуска продукции при одновременном совершенствовании ее технических характеристик. Доля изделий с форсированными оптическими характеристиками увеличивается. Оптические системы наивысшей точности, применяемые, например, в космических телескопах, исследовательских микроскопах и аппаратуре для микроэлектроники, не должны иметь остаточные погрешности, превышающие 1/30-1/40 длины волны. Одно из основных правил метрологии гласит, что погрешность средства измерения должна быть в 10 раз меньше измеряемой ошибки изделия. Поэтому погрешности измерительной аппаратуры для создания таких оптических систем не могут быть больше, чем 1/300 - 1/400 длины волны.

Принципиальный и неустранимый недостаток существующих интерферометрических комплексов состоит в том [21, 24], что в их конструкции всегда необходимо применение образцовой оптической детали, которая неизбежно содержит ошибки изготовления. Эти ошибки обычно составляют 1/10 - 1/30 длины волны и, следовательно, такие приборы пригодны для метрологически корректного определения лишь достаточно больших остаточных ошибок контролируемого изделия, составляющих 1-1/3 длины волны.

Встроенные в существующие традиционные интерферометрические комплексы дополнительные системы фазовой расшифровки интерферограмм (например, V -100 with Intomatic-P) позволяют, по заявлениям торговых фирм, довести точность прибора до величины 1/80 длины волны и выше. Однако это утверждение основано на недоразумении. Речь идет о точности измерения отклонений от формы образцовой оптической поверхности, которая сама по себе недостаточно точна, так как ее погрешности превышают указанную величину и эти погрешности неизвестны. Итак, электронные системы здесь могут повысить точность расшифровки. Отклонения от формы образцовой поверхности измеряются точнее. Однако традиционными средствами можно определить только те ошибки образцовой поверхности, которые выше чем 1/20 длины волны. Следовательно, точность интерферометрии не повышается.

Указанные недостатки существующих интерферометров вызывают потребность повышения точности и эффективности интерферометрии путем разработки и применения альтернативных методов и схем дифракционных интерферометров.

Компьютерные технологии позволяют далее значительно усовершенствовать процесс расшифровки и интерпретации результатов интерферометрии.

Итак, с целью устранения недостатков существующих интерферометров проводятся исследования в направлении: создания принципиально нового интерферометрического комплекса, основанного на применении принципов дифракционной интерферометрии, в том числе - лазерного интерферометра с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии диаметром порядка длины волны; разработка и исследование методов повышения точности расшифровки данных за счет:

- обработки структуры изображения интерферограммы и ее автоматизированной компьютерной расшифровки,

- разработки и реализации схемных решений, создающих условия для фазовой интерферометрии.

Цель работы: углубленное исследование принципов дифракционной интерферометрии, определение и реализация путей повышения ее точности и эффективности; создание и исследование усовершенствованного метода и комплекса аппаратуры дифракционной интерферометрии на основе развития теоретической модели, а также практической реализации метода.

Задачи исследования

1. Анализ ограничений традиционных методов интерферометрии, определение путей устранения недостатков; анализ возможностей дифракционной интерферометрии.

2. Теоретический анализ механизма дифракционной интерферометрии и создание эффективной модели метода.

3. Анализ факторов, определяющих точность метода. Теоретическое исследование факторов, влияющих на структуру интерферограммы.

4. Макетирование аппаратуры интерферометрии повышенной точности и эффективности.

5. Экспериментальные исследования разработанных методов и аппаратуры

6. Выводы и рекомендации по результатам исследований и разработок.

Объекты исследований:

- действующие макетные образцы лазерного интерферометра с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии,

- теоретические и компьютерные модели интерферометра.

Предмет исследования:

- концепции дифракционной интерферометрии и Р01-интерферомера как научно-технического направления современных оптических исследований, контроля и измерений.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Ли Кенг Хи

Выводы по работе.

- Дана концепция дифракционной интерферометрии для описания принципов действия, возможностей и точности дифракционного интерферометра

- Уточнена роль дифрагирующего отверстия

- Экспериментальные исследования показали решающую роль диаметра апертуры

- Предложена модификация метода ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ с применением фазового метода расшифровки интерферограммы, дающего точность оценки фазовых смещений исследуемого фронта на уровне 0.0001 длины волны.

- Исследован метод компьютерного анализа дифракционных интерферограмм, показано значительное повышение эффективности, надежности и точности для PDI - интерферометра в связи с уникально высоким качеством изображеия в интеренционной PDI -картине. Возможно применение стандартного компьютерного оснащения , компьютерное оснащение (PC, цифровая камера, сканер, Photo Shop) для анализа интерферограмм в любой лаборатории без приобретения специального оборудования. Существенно упрощается и удешевляется конструкция установки ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ при одновременном значительном повышении точности измерений и надежности диагностики.

- Предложены методы повышения точности расшифровки тенеграмм ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ благодаря использованию развитых функций преобразования процесса регистрации.

- Показана возможность компьютерной реализации действия развитой ФП типа "импульс", что позволяет повысить точность отсчета координаты края интерферограммы дополнительно в 4 - 8 раз и получить, таким образом, суммарное повышение точности в 13 - 26 раз.

- Найдена возможность осуществления визуального исследования наличия рефракции и аберрации оптических систем и элементов в реальном времени с применением предложенной интерферометрической установки.

Наиболее существенные результаты и научная новизна работы

1. Исследованы существующие методы интерферометрии оптических систем и элементов, показаны их преимущества и недостатки применительно к задаче исследования современных высокоточных оптических систем и их элементов. Показана максимальная перспективность метода дифракционной интерферометрии с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии

2. Разработана теоретическая модель дифракционной интерферометрии, с использованием положений современной векторной теории дифракции на малом отверстии, в ближнем и дальнем поле. Показано, что сферичность опорного волнового фронта, синтезированного путем дифракции на точечном отверстии, обеспечивается на уровне лучше чем 1/100 длины волны. Это определяет высокую эффективность и определенную уникальность данного интерферометра при исследованиях оптических систем наивысшей точности, включая и образцовые элементы классических интерферометров.

3. Показано, что информативность и точность интерферометрических измерений определяются соотношением двух факторов:

- во-первых - формой и структурой опорного волнового фронта;

- во-вторых - структурой интерферометрического изображения:

- его зашумленностью

- его резкостью, которая описывается градиентом пограничной кривой элементов изображения

4. Рассмотрены факторы, определяющие структуру интерферограммы. Формирование этой структуры описывается, в основном, операциями свертки ряда функций:

- распределением интенсивности в интерференционной картине, связанной с деформацией исследуемого волнового фронта

- ФРТ для оптической системы наблюдения;

- функции рассеяния точки для системы электронно-компьютерного отображения и регистрации.

5. Исследованы методы повышения точности расшифровки интерферограммы и связь точности измерительных отсчетов с характеристиками резкости деталей интерференционной картины.

6. Рассмотрены схемные решения для реализации фазового метода интерферометрии

7. Найдены схемные решения и оптимальные методики и алгоритмы исследования сферических, плоских, а также асферических поверхностей второго порядка с точностью лучше чем 1/100 длины волны.

8. Указаны методы и схемные решения для исследования и контроля оптических систем микроэлектроники, с асферическими поверхностями высшего порядка, с требованиями к точности на уровне лучше чем 1/200 длины волны.

9. Исследованы и определены условия обеспечения средствами дифракционной интерферометрии изображения интерферограмм высокого качества, исключения помех, паразитных интерференционных деталей и спекл-шумов, что обеспечивает наивысшую эффективность применения методов обработки интерференционного изображения в целях повышения точности интерферометрии на 1 -2 порядка.

Теоретическая значимость исследования

Теоретическая модель дифракционной интерферометрии открывает путь к решению проблемы повышения верности и надежности интерференционных исследований.

Подтверждено важное значение РВ1~интерферометров для создания и использования оптических систем наивысшей точности.

Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, могут быть использованы для дальнейшего развития теории и методологии современного оптического контроля, при развитии теории проектирования и контроля оптических систем предельной точности, а также в теоретических основах создания и применения интерферомеров как традиционных, так и альтернативных схемных решений.

Практическая ценность полученных результатов.

1. Реализован и исследован Р01 - интерферометр повышенной точности, обладающий простотой, экономичностью, удобством и оперативностью применения, позволяющий контролировать прецизионные оптические поверхности и системы с точностью на уровне 1/100 длины волны.

Показана возможность развития данного интерферометра с использованием цифровой видеотехники, компьютерной регистрации и обработки интерференционной информации.

2. Разработана методика компьютерного исследования интерферограммы , показано существенное повышенное качество изображения РБ1 - интерферограммы, способствующее эффективному применению современных средств повышения точности измерений.

3. Исследован метод повышения резкости интерферограммы путем обработки изображения с формированием штриховых контуров интерференционных полос, что дает дальнейшее 10 - 40 - кратное повышение точности измерений.

4. На основе разработанных методов собран и испытан компьютеризированный интерферометрический комплекс по схеме Р01-интерферомера. Устройство, при его серийном производстве, может быть доступным для широкого круга исследователей и способно обеспечить значительные объемы исследований оптических изделий различного класса, включая системы для нано-литографии.

Научные положения и результаты исследований

1. Результатами исследования известных методов интерферометрии оптических систем и элементов, показано, что для целей исследования качества оптических систем и элементов высокой точности перспективность и высокую эффективность демонстрирует метод дифракционной интерферометрии в версии лазерного интерферометра с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии (РБ1). Основные достоинства метода состоят в его высокой (предельной) точности, превышающей точность традиционных интерферометров на несколько порядков. Другие достоинства - простота, оперативность и высокая информативность в части выявления деформаций волновых фронтов, в том числе - связанных с ошибками и аберрациями оптических систем и элементов, а также качественной и количественной оценки этих дефектов.

2. Разработана модель дифракционной интерферометрии и РБ1-интерферометра. Исходя из задач данного исследования и на основе разработанной модели был исследован наиболее перспективный для целей контроля качества оптических систем и элементов высокой точности метод интерферометрии, что, одновременно предусматривает исследования и совершенствование традиционных интерферометров на основе разработанного принципа дифракционной интерферометрии.

3. На основе разработанной модели дифракционной интерферометрии и введенного в эту модель понятия "дифракционного эталона", достаточно просто и полно объяснены механизмы действия интерферометрии и характер получаемого измерительного изображения (интерферограммы) в зрачке исследуемой оптической системы.

4. На основе применения положений и выводов современной векторной теории дифракции показано, что возможные деформации опорного волнового фронта, синтезированного путем дифракции на точечном отверстии в РБ1-интерферометре уже на расстоянии 1000 длин волн (порядка 0.5 мм) от дифрагирующего отверстия не превышают 0.00001 мкм, что позволяет считать дифрагированный опорный фронт практически идеально сферическим.

5. Показано, что градиент пограничной кривой для элементов интерференционного изображения определяет структуру и резкость интерферограммы, информативность исследований методом интерферометрии и точность интерферометрии.

6. Исследования на основе разработанной модели дифракционной интерферометрии убедительно показали, что нерезкость интерферограммы возрастает при увеличении масштаба интерференционного изображения и уменьшении числа интерференционных полос.

7. Изофотометрическая трансформация интерферограммы (оконтуривание) в системе регистрации позволяет исследовать тонкую структуру изображения и существенно повысить точность измерений.

8. Интерферограмма оптической поверхности, полученная на PDI-интерферометре, имеет чрезвычайно высокое качество изображения, лишена шумов и спекл-зернистости, что создает дополнительные серьезные предпосылки для повышения точности интерферометрии и эффективного применения способов дополнительного повышения точности путем обработки и трансформации интерференционного изображения.

Публикации и апробация работы

По теме диссертации соискателем опубликованы 7 статьи, подтвержден приоритет по 1 патенту.

1. Nikolay В. Voznesensky, Kyeong-Hee Lee. Achievements in near-field investigations in Russia. Laser Technology (in Korean), Vol. 5, 2001.

2. Nikolay B. Voznesensky, Kyeong-Hee Lee. Simulation model for light propagation through nanometer-sized structures. Laser Technology (in Korean), Vol. 6, 2001.

3. B.K. Кирилловский, Н.Б. Вознесенский, Ли Кенг-Хи. Принципы контроля образцовых элементов наивысшей точности для универсальных интерферометров. XXXI научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, 5-7 Февраля 2002 г.

4. N.B. Voznesensky, V.P. Veiko, T.V. Ivanova, Kyeong-Hee Lee. Optical Investigation for the Apparatus Function of a SNOM Tip.

Proceedings of the First Scientific workshop presentation Optical Micro- and Nanotechnologies (OMaN-1), 17-18 June 2002, St.-Petersburg.

5. Kyeong-Hee Lee, Voznesensky N.B., Kirillovsky V.K. Principle of certification of high precision optical parts and systems based on diffraction interferometer. Proceedings of the First Scientific workshop presentation Optical Micro- and Nanotechnologies (OMaN-1), 17-18 June 2002, St.-Petersburg.

6. Voznesensky N.B., Veiko V.P., Ivanova T.V., Lee K.H. Concept of Far-field optical evaluation of the apparatus function of a SNOM TIP. X international conference Laser-Assisted Microtechnolofy (LAM-X), 29 June -3 July, 2003, St.-Petersburg-Pushkin.

7. Voznesensky N. В., Kyeong-Hee Lee, V. K. Kirillovsky. Principles of highest-precision optical parts estimation on the basis of a point-diffraction interferometer. Optical systems Design, Saint-Etienne, France, 29 Sep. - 3 Oct. 2003.

Патент]

- Title: Point diffraction interferometer including auto collimating etalon.

- Inventor: Kyeong-Hee Lee, N.B. Voznesensky, V.K. Kirillovsky

- Application number: 10-2004-0027447

- Application date: 21. April. 2004.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ли Кенг Хи, 2004 год

1. Борн M., Вольф Э. Основы оптики. -М.: Наука, 1970, с.856.

2. Hopkins Н. Н. The Airy disc formula for systems of higher relative apertures //Proc. Roy. Soc. London.- 1943. Vol. 55. - P.l 16-128

3. Hsu W., Barakat R. Stratton-Chu vectorial diffraction of electromagnetic fields by apertures with application to small-Fresnel-number systems // Journ. Opt. Soc. Am. A. 1994.- Vol. 11.- No.2. -P.623-629

4. Sheppard C. J. R., Torok P. Approximate forms for diffraction integrals in high numerical aperture focusing // Optik. 1992. - Vol. 105. - No. 2. - P.77-82

5. Sheppard С.J.R., Hrynevitch M. Diffraction by a circular aperture: a generalization of Fresnel diffraction theory // Journ. Opt. Soc. Am. A. 1992. - Vol. 9. - No.2. - P.274-281

6. Sheppard C.J.R., Gu M. Imaging by a high aperture optical system // Journ. Mod. Opt 1993. - Vol. 40. - P.1631-1651

7. Sheppard С.J.R., Torok P. Approximate forms for diffraction integrals in high numerical aperture focusing // Optik. 1997. - Vol. 105. -No. 2. - P. 77-82

8. Sheppard C.J.R., Torok P. Efficient calculation of electromagnetic diffraction in optical systems using a multipole expansion // Journ. Mod. Opt. 1997. - Vol. 44. - No. 4. - P.803-818.

9. Вознесенский H. Б., Иванова Т. В., Виноградова Г. Н. Математическое моделирование распределения светового поля вблизи фокуса высокоапертурной оптической системы. Оптический журнал, 1998, т.65, №10, с.43-44.

10. Ю.Вознесенский Н. Б., Родионов С. А., Домненко В. М., Иванова Т. В. Векторная модель дифракции в оптических системах. Тезисы международной конференции Прикладная оптика-96, С.Петербург, 1996.

11. П.Вознесенский Н.Б., Родионов С.А., Домненко В.М., Иванова Т.В. Математическая модель дифракции в оптических системах с высокими числовыми апертурами. Оптический журнал, 1997, т.64, №3, с.48-52.

12. Voznessensky N.B. Optimum choice of basic functions for modeling light propagation through nanometer-sized structures. Proc. SPIE, 1999, Vol.3791, p.147-157.

13. Voznessensky N.B., Belozubov A.V. Polarisation effects on image quality of optical systems with high numerical apertures. Proc. SPIE, 1999, Vol.3754, p.366-373.

14. Н.Б.Вознесенский Математическое моделирование процессов распространения и дифракции света в наноструктурах , Сборник материалов всероссийского совещания "Зондовая микроскопия-2000", Нижний Новгород, 28 февраля-2 марта 2000 г., с. 142-146.

15. Вейко В.П., Вознесенский Н.Б., Гусев A.E., Иванова Т.В., Родионов С.А. Возможность определения параметров вторичных источников света, меньших длины волны, по характеристикам дальнего поля // Оптический журнал. Т. 65. № 10. 1998. С. 49-53.

16. Veiko V.P., Voznessenski N.B., Domnenko V.M., Ivanova T.V., Rodionov S.A., Goussev A.E. New approach to analysis of subwavelength sized secondary light sources // Proc. SPIE. Vol. 3467. - 1998. - P. 313321.

17. Veiko V.P., Voznessenski N.B., Domnenko V.M., Ivanova T.V., Rodionov S.A., Goussev A.E. New approach to optical measurements of small objects with superresolution // Proc. SPIE. Vol. 3736. - 1999. - P. 341-350.

18. Goodman J.W. Introduction to Fourier Optics, 2nd ed., McGraw-Hill, 1996, p. 441.

19. Кирилловский В.К. Характеристики чувствительности структурометрических систем. 4-я Всесоюзная конференция "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". ВНИИОФИ АН СССР. 1982 г.

20. В.К.Кирилловский. Лазерный интерферометр с дифрагированным опорным фронтом. Российская научно-практическая конференция "ОПТИКА. ФПЦ Интеграция". ИТМО (ТУ). Санкт-Петербург, 25-27 января 1999 г.

21. Линник В.П. Простой интерферометр для исследования оптических систем. Труды ГОИ. Том X. Выпуск 95. Ленинград. 1934.

22. Иванова Т.А., Кирилловский В.К. Проектирование и контроль оптики микроскопов. Л. Машиностроение. 1984.

23. Малакара Д. Оптический производственный контроль. М. Машиностроение. 1995г,

24. Духопел И.И., Федина Л.Г. Интерференционные методы и приборы для контроля правильности формы сферических поверхностей. ОМП. 1973. N8.

25. Кирилловский В.К. Оптические измерения. Часть 2. СПб. ГИТМО. 2004.