Оптические методы и приборы контроля параметров подложек лазерных зеркал тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Цельмина, Ирина Юрьевна

• Цельмина, Ирина Юрьевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Цельмина, Ирина Юрьевна

Оглавление

Введение

ГЛАВА 1

ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

1.1. Оптические методы измерения параметров шероховатости

1.2. Оптические методы измерения радиуса кривизны оптической поверхности

1.3. Оптические методы обнаружения микродефектов поверхностей оптических поверхностей

1.4. Выводы

ГЛАВА 2

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

НАНОШЕРОХОВАТОСТИ

2.1 Микроскоп интерференционный автоматизированный МИА -1М

Оптическая схема МИА - 1

2.2.Математическое моделирование процесса реконструкции фазовых изображений на автоматизированном интерференционном микроскопе МИА-1М

2.3 Модернизация автоматизированного микроскопа Линника для измерения шероховатости супергладких поверхностей

2.4 Измерение параметров шероховатости супергладких поверхностей на автоматизированном интерференционном микроскопе МИА -1М

2.5. Метрологические испытания автоматизированного интерференционного

микроскопа МИА - 1М

2.6 Выводы

ГЛАВА 3

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИУСА КРИВИЗНЫ

ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ЕЕ ДЕЦЕНТРОВКИ

3.1 Профилометр интерференционный компьютерный ПИК - 30

3.2. Метод измерения формы поверхности на профилометре ПИК-30

3.3. Метрологические и технические характеристики ПИК-30

3.4 Применение интерферометра ПИК - 30 для измерения параметров подложек лазерных зеркал

3.5 Методика компенсации отклонений от сферичности пары зеркал в лазерном четырехзеркальном гироскопе

3.6 Модернизированный профилометр интерференционный компьютерный ПИК-30М

3.7 Экспериментальные результаты исследования плоских и сферических

объектов

3.8. Выводы

ГЛАВА 4

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ПО ПАРАМЕТРУ

«ОПТИЧЕСКАЯ ЧИСТОТА»

4.1 Анализатор микродефектов поверхности. Описание работы прибора

4.2. Методика измерения дефектов оптической поверхности на анализаторе микродефектов поверхности АМП с использованием программы Оаз18соре

4.3. Выводы

ГЛАВА 5

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДЛОЖЕК ЛАЗЕРНЫХ ЗЕРКАЛ

5.1. Анализ существующих полирующих материалов

5.2. Исследование величины шероховатости оптической поверхности, обработанной различными методами

5.3. Исследование формы оптической поверхности, обработанной различными методами

5.4. Анализ влияния плотности гидратируемого слоя на оптическую поверхность

5.5. Выводы

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптические методы и приборы контроля параметров подложек лазерных зеркал»

Введение

Актуальность темы

Лазерные зеркала широко распространенный оптический элемент, к которому предъявляются высокие требования. От оптических характеристик лазерных зеркал зависит добротность квантовых генераторов.

Современные лазерные зеркала имеют коэффициент отражения на уровне 99,98%. Достижение таких параметров лазерных зеркал диктует высокие технические требования к подложкам этих зеркал. Подложки должны обладать супергладкой рабочей поверхностью, шероховатость которой порядка 1 А. При этом отклонение поверхности подложки от заданной формы (плоскости или сферы с большим радиусом кривизны от 2 м и более) не должна превышать половины длины волны лазера. Другими важными параметрами подложек лазерных зеркал являются величина отклонения центра кривизны подложки от ее геометрического центра, так называемая «децентровка», оптическая чистота полированной поверхности подложек.

Таким образом, подложки лазерных зеркал являются специфическими оптическими изделиями, которые должны обладать уникальными оптическими характеристиками. Для достижения таких характеристик требуется разработка комплекса специальных средств измерений, которые будут использоваться при отработке технологии изготовления, промышленном производстве и контроле качества подложек лазерных зеркал. Эти средства измерений основаны на интерферометрии и оптической микроскопии.

В настоящее время для целей контроля оптики используются импортные приборы, дорогостоящие и сложные в обращении. Массовое производство лазерных зеркал требует разработки отечественных средств измерений, позволяющих в процессе их производства контролировать геометрические параметры с высокой точностью и минимальными затратами времени и средств.

Таким образом, в настоящей работе решается актуальная задача разработки, исследования отечественного измерительного оборудования для комплексного контроля параметров подложек лазерных зеркал.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка методов комплексного оптического контроля параметров подложек лазерных зеркал и создание ряда приборов для совершенствования технологии их изготовления.

Линейка оптических приборов включает следующие измерительные приборы:

- интерференционный микроскоп для контроля параметров шероховатости подложек лазерных зеркал (далее просто подложек);

- интерферометр для измерения радиуса кривизны и децентровки подложек;

- оптический микроскоп для контроля качества рабочей поверхности подложек.

Основные задачи исследования

Цель предопределила основные задачи, решаемые в диссертационной работе:

1. Анализ существующих оптических методов измерения шероховатости в нанометровом диапазоне.

2. Разработка и создание автоматизированного интерференционного микроскопа для измерения шероховатости в нанометровом диапазоне.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированного интерференционного микроскопа.

4. Анализ существующих интерференционных методов измерения формы отражающих поверхностей.

5. Разработка и создание автоматизированного интерференционного профилометра для измерения формы поверхности подложек.

6. Разработка алгоритма и программного обеспечения для измерения радиуса кривизны и децентровки поверхности подложек лазерных зеркал.

7. Разработка метода компенсации отклонений от сферичности с целью повышения чувствительности лазерного гироскопа.

8. Анализ существующих методов измерения оптической чистоты поверхности.

9. Разработка и создание автоматизированного микроскопа для измерения оптической чистоты поверхности подложек.

10. Модернизация темнопольного микроскопа для реализации многоракурсной системы освещения объекта.

11. Применение разработанного комплекса оптических приборов для совершенствования технологии изготовления супергладких поверхностей.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. На основе численного моделирования метода фазовых шагов доказано, что при реконструкции изображений плоскости для уменьшения; среднеквадратического отклонения (СКО) от плоскости до 0.24 нм в диапазоне 100 градаций и до 0.11 нм в диапазоне 235 градаций яркости интерферограмм необходимо проводить совместное усреднение по 10-ти интерферограммам и 10-ти фазовым изображениям.

2. Предложена и реализована оптическая система изменения оптической длины опорного канала автоматизированного интерференционного микроскопа, при которой достигается продольное разрешение микроскопа порядка 0.1 нм методом фазовых шагов.

3. Создан отечественный автоматизированный интерференционный микроскоп МИА -1М, который позволяет измерять параметр 11а шероховатой поверхности с СКО не более 0.25 нм.

4. Разработан и создан автоматизированный интерферометр ПИК-ЗОМ с вертикальной компоновкой оптических элементов, который позволяет проводить измерения профиля поверхности подложек с неопределенностью, не превышающей 1/150 длины волны используемого излучения.

Практическая ценность и использование результатов работы

Разработанные методы комплексного оптического контроля параметров подложек лазерных зеркал и созданная линейка приборов использованы для отработки технологий многодетальной полировки подложек зеркал лазерных гироскопов на приборостроительном заводе ОАО «РПЗ».

Разработанный в рамках выполненной работы метод измерения параметров нанометровой шероховатости и созданный на его основе программно-аппаратный комплекс реализованы в микроскопе интерференционном автоматизированном МИА - 1М. Впервые получена возможность исследования на отечественном приборе супергладкой поверхности с разрешением по глубине не хуже 0.25 нм. Данное средство измерения прошло государственные испытания и зарегистрировано под номером № 48171-11 в Государственном реестре средств измерений.

Разработанный метод измерения кривизны поверхности и ее децентровки и созданный на его основе программно - аппаратный комплекс реализованы в профилометре интерференционном компьютерном ПИК - 30. Данное средство измерения прошло государственные испытания и зарегистрировано под номером №30003-08 в Государственном реестре средств измерений.

Вклад автора

1. При непосредственном участии автора разработаны метод измерений параметров наношероховатости и фазосдвигающее устройство его реализующее.

2. При непосредственном участии автора создан программно-аппаратный комплекс для измерений формы и децентровки поверхности и разработана методика измерений.

3. При участии автора создан программно-аппаратный комплекс измерения чистоты оптической поверхности и спроектирована многоракурсная система освещения для темнопольного объектива.

4. Автором разработана технология изготовления подложек лазерных зеркал и проведены сравнительные исследования супергладких поверхностей.

5. Автором разработан метод компенсации отклонений от сферичности с целью повышения чувствительности лазерного гироскопа.

Апробация работы

Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», ВНИИОФИ, 2008 г.; «Голография в России и за рубежом. Наука и практика», 2008 г., 2009 г.; «ГОЛОЭКСПО. Голография, наука и практика», 2011 г., 2012 г., 2013 г. Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи в издании «Оптический журнал», 1 статья в журнале «Оптика спектроскопия», 1 статья в журнале «Измерительная техника», 1 статья в журнале «Метрология», 1 статья в журнале «Мир голографии», и 4 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста; состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа иллюстрирована 74 рисунками, 15 таблицами. Список литературы включает в себя 62 источника информации.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Проведенное математическое моделирование процесса реконструкции фазовых изображений на автоматизированном интерференционном микроскопе МИА-1М показало, что для уменьшения среднеквадратического отклонения от

плоскости до величины 0,1 нм достаточно проводить усреднение по 10-ти интерферограммам и 10-ти фазовым изображениям и учитывать вклад шероховатости опорного и эталонного зеркал.

2. Для изменения оптической длины опорного канала интерференционного микроскопа МИА-1М при реализации метода фазовых шагов необходимо смещать жестко связанные зеркало и микрообъектив, что позволяет достичь разрешение по глубине не хуже 0,25 нм при исследовании супергладкой поверхности.

3. Схема интерферометра Майкельсона с вертикальной компоновкой оптических элементов и вращающимся диффузором позволяет уменьшить вибрационные и когерентные шумы и проводить измерения отклонений от плоскости и от сферической поверхности с радиусами кривизны от 2000 мм и более со среднеквадратической погрешностью 5 нм.

4. Использование темнопольного объектива с коммутирующей группой светодиодов «белого» света дает возможность повысить информативность и контрастность изображений микродефектов на прозрачных подложках зеркал для их автоматического подсчета.

ГЛАВА 1

ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

1.1. Оптические методы измерения параметров шероховатости

Измерение параметров шероховатости супергладких поверхностей, микрорельеф которых составляет единицы ангстрем, является одной из главных задач в области метрологии средств измерений длины. К таким поверхностям относят зеркала и подложки из ситалла, карбида кремния и др. материалов, используемых для многослойной рентгеновской оптики, лазерных гироскопов и пр.

Получение супергладких поверхностей необходимо, в первую очередь, в оптической промышленности, например, для изготовления оптической поверхности подложек зеркал лазерных гироскопов.

Шероховатость поверхности - один из главных параметров подложек лазерных зеркал. Величина шероховатости в значительной степени влияет на наиболее сложную проблему с «захватом» лучей - нечувствительность, распространяющихся в кольцевом лазере в противоположных направлениях, связанная с их обратным рассеянием. Уменьшение зоны «захвата» сводится к уменьшению их рассеяния, а так же к рассеянию на зеркалах, обеспечивающих распространение лучей по кольцу [1].

В настоящее время существуют контактные и бесконтактные приборы для измерения шероховатости [2-4]. Среди бесконтактных методов особенно выделяется оптическая интерференционная микроскопия, которая подразделяется на когерентную (лазерную) интерференционную микроскопию [5, 6], и сканирующую интерференционную микроскопию белого света (White-Light Interferometry) [7, 8], а также малоугловая рентгеновская рефлектометрия [9]. Среди контактных методов внимание заслуживает атомно-силовая микроскопия

[9].

Для измерения шероховатости в нанометровом диапазоне обычно используются атомно-силовые и интерференционные микроскопы. Основным

недостатком атомно-силовых микроскопов является наличие контакта при измерении, что влечет за собой повреждение полированной поверхности, они имеют малое поле зрения и требуют больших временных затрат, хотя и обладают высоким пространственным разрешением.

При относительно высокой точности измерения высоты профиля, недостатком лазерной интерференционной микроскопии является наличие когерентного шума (спекл и дифракционные шумы).

Сканирующая интерференционная микроскопия белого света лишена выше указанных недостатков, так как в ней используется источник с малой длиной когерентности - источник белого света. Однако наличие сканирующего устройства требует сложной и частой калибровки. Высокая стоимость этих приборов обусловлена большим диапазоном измерений по высоте от 1 А до нескольких миллиметров. Использование такого дорогостоящего прибора для наших задач нецелесообразно, т.к. измерение микрорельефа проводится в узком диапазоне высот от 1А до нескольких нанометров.

Следующим основным параметром, предъявляемым к подложкам лазерных зеркал, является радиус кривизны оптической поверхности и ее децентровка.

1.2. Оптические методы измерения радиуса кривизны оптической поверхности

Выбор средств и методов контроля качества сферических поверхностей зависит от размеров проверяемых деталей, требуемой точности, твердости материалов, знаков кривизны и ряда других факторов, влияющих на работу прибора, в сборку которого входит проверяемая деталь.

Второй важный параметр подложек лазерных зеркал - радиус кривизны. От него зависит смещение каустики - геометрического места всех фокусов негомоцентрических пучков, то есть пучков световых лучей, не сходящихся в одной точке, относительно диафрагмы [10], что также влияет на качество работы прибора. Децентровка - это смещение оси сферической поверхности

относительно геометрической оси детали и, в конкретном случае, геометрической оси диафрагмы подложки.

Ранее для измерения радиуса кривизны отражающей поверхности (обычно сферы) и децентровки использовались интерференционные приборы визуального типа, например, отечественные интерферометры серии ИТ-40, ИТ-70, ИТ-100, ИТ-200 [11], построенные по схеме Физо [12]. Данный тип интерферометров не был автоматизирован, поэтому точность измерения не превышала Я/10, где А. -длина волны используемого излучения.

Известно применение автоматизированного интерферометра ИКД-110 (производство МТПК ЛОМО, С.-Петербург) для целей производственного контроля плоских и сферических деталей [12]. Однако в данном приборе для автоматической расшифровки интерферограмм используется метод «скелетизации», т.е. поиск центра полос с последующей интерполяцией, который ограничен по точности вычисления фазы величиной А/50.

В другом отечественном интерферометре ФТИ-100 (производство ЗАО «Дифракция», Новосибирск) для автоматической расшифровки интерферограмм широко используется более современный метод «фазового сдвига» [13]. В результате точность реконструкции фазы возрастает до А/100.

Современные импортные интерференционные приборы, например, фирмы гУвО, все оснащены автоматическими системами расшифровки интерферограмм, поэтому они обладают высокой точностью измерений.

Все перечисленные выше интерферометры построены по схеме Физо и автоматизация расшифровки интерферограмм с помощью механического фазового сдвига вызывает трудности. Они связаны с тем, что в интерферометрах Физо опорный оптический элемент работает на просвет, и он имеет большие размеры. Сдвиг этого элемента без перекосов и поворота представляет сложную техническую задачу, особенно для элементов большого диаметра. Поэтому часто для сдвига полос в интерферометрах Физо используют полупроводниковые инжекционные лазеры с перестраиваемой частотой, но они обладают достаточно

широкой полосой излучения, что ведет к погрешности при измерении оптической длины пути.

Кроме того, в интерферометрах Физо опорный элемент часто представляет собой плоскопараллельную или клиновидную пластину без зеркального покрытия, поэтому при исследовании оптических элементов с покрытием резко уменьшается контраст интерференционных полос и, соответственно, точность расшифровки интерферограмм. Нанесение на поверхность опорной пластины зеркального покрытия ведет к многолучевой интерференции и невозможности использования метода фазового сдвига [14].

Следующим важным параметром оптической поверхности подложек является оптическая чистота, которая характеризуется наличием царапин и точек, на которые по ГОСТ 11141-84 установлены их допускаемые размеры и расположение по классам чистоты.

1.3. Оптические методы обнаружения микродефектов поверхностей оптических поверхностей

Ранее, для контроля оптической чистоты применялись микроскопы бинокулярные стереоскопические типа МБС, выпускаемые ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла». Назначение данного микроскопа - визуализация объемных предметов в отраженном и проходящем свете. Современным аналогом, наиболее соответствующим МБС (в стандартной комплектации) по характеристикам, является микроскоп Альтами СМ0745. Дополнительные окуляры SWF30X или SWF20X дают увеличение до 135Х (МБС-10 дает только 100Х), дополнительная комплектация доводит увеличение Альтами СМ0745 до 270Х (максимум для МБС-10 - это 201Х) [15]. У МБС дискретное увеличение, а у Альтами СМ0745 плавная регулировка увеличения. В настоящее время выпущен микроскоп МБС — 14 с панкратической системой для плавной регулировки увеличения [16]. Недостаток этих микроскопов заключается в малом контрасте изображений в проходящем свете, который не позволяет обнаружить мелкие дефекты на исследуемой оптической поверхности с коэффициентом отражения не

более 4%, и отсутствие программного обеспечения для автоматического обсчета площади дефектов поверхности в соответствии с ГОСТ 11141-84. В ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» был разработан анализатор микродефектов поверхности на базе микроскопа БИОЛАМ с программой обсчета дефектов анализируемой поверхности. В последнее время появляются микроскопы типа №С01Ч (Япония) с высоким разрешением, Микровизоры металлографические (Россия, «ЛОМО»), но они также не соответствуют протоколу измерения по ГОСТу 11141-84 и не имеют возможности определения координаты дефекта на исследуемой поверхности.

1.4. Выводы

Анализ различных методов измерения параметров подложек зеркал лазерных гироскопов, показал необходимость в разработке методов комплексного оптического контроля параметров подложек лазерных зеркал и создание линейки приборов для совершенствования технологии их изготовления.

ГЛАВА 2

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАНОШЕРОХОВАТОСТИ

2.1 Микроскоп интерференционный автоматизированный МИА -1М

Оптическая схема МИИ - 4

Микроскоп МИИ-4 - это микроинтерферометр, который серийно выпускается предприятием ЛОМО (Санкт-Петербург) и предназначен для визуальной оценки и измерения параметров шероховатости отражающих объектов. Принцип и схема микроинтерферометра МИИ-4 впервые были разработаны и применены для исследования качества тонкообработанных поверхностей академиком В. П. Линником [17].

Источником 1 является Не-Ые лазер с длиной волны X = 632,8 нм. Конденсор 2 переносит плоскость выходного окна источника излучения в плоскость апертурной диафрагмы. Объектив 5 переносит световой поток в переднюю фокальную плоскость микрообъективов 8, 15. Линза 11 и микрообъектив 15 формируют изображение объекта в плоскости анализа 13. Делительная пластина 6 делит исходный пучок на зондирующий и опорный.

Конструкция микроскопа МИИ-4 предполагает использование источника белого света, который и имеется в его составе. Источник представляет собой белый светодиод, перед которым может быть установлен один из интерференционных светофильтров.

Оптическая схема прибора представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Оптическая схема МИИ - 4:

1 - источник излучения; 2 - конденсор; 3,1, 14 - апертурная диафрагма; 4, 12, 16 - полевая диафрагма; 5, 11 - линзы; 6 - светоделительная пластина; 8, 15 — микрообъектив; 10 - опорное зеркало; 13 - исследуемый объект; 17 - плоскость анализа.

Т.е. в приборе реализованы три варианта освещения: без светофильтра, с одним из двух светофильтров (табл. 1).

Таблица 1

Светофильтр Длина волны, нм Полуширина спектра, нм

«Зеленый» 531 8.7

«Желтый» 585 9.0

К основным недостаткам МИИ-4относятся:

1) Линия перемещения опорного зеркала, связанная с пьезоэлементом, не совпадает по углу с оптической осью канала опорного зеркала, что приводит к ухудшению контраста анализируемой интерференционной картины.

2) сложности работы и настройки в белом и квазимонохроматическом свете, отсутствие видеорегистрации изображений, расшифровка интерферограмм производится оператором вручную. Это накладывает известные ограничения на точность и время измерений.

Оптическая схема МИА - 1

Для автоматизированного контроля параметров шероховатости и других измерений был создан автоматизированный микроскоп МИА-1. Для автоматической расшифровки интерферограмм используется метод дискретного фазового сдвига (метод фазовых шагов) [13].

Оптическая схема автоматизированного микроскопа представлена на рис. 2.

Лазерный пучок от блока разрушителя когерентности 1,2,3 через световод 4 поступает во входной зрачок микроскопа. Выходной торец световода расположен в апертурной диафрагме, которая совпадает с передней фокальной плоскостью конденсора 5. После конденсора параллельный пучок лучей попадает на светоделительную пластинку 6 со светоделительным покрытием. Она делит падающий пучок пополам: один пропускает, а другой отражает.

Отраженный от пластинки 6 пучок собирается в фокусе микрообъектива 8(2) на поверхности зеркала с фазовым объектом, после отражения от которой снова проходит через микрообъектив 8(2), пластинку 6 и собирается в фокусе объектива 10, где наблюдается изображение исследуемого фазового объекта. Зеркало 11 направляет пучок лучей в визуальный канал наблюдения.

Второй пучок, пройдя через пластинку 6, компенсатор 7, собирается в фокусе микрообъектива 8(1) на эталонном зеркале 9, отразившись от которого, снова проходит через микрообъектив 8(1), компенсатор 7, падает на разделительную пластинку 6 и не участвует в образовании изображения.

Рисунок 2. Оптическая схема автоматизированного микроскопа МИА-1

1- блок разрушителя когерентности,

2- лазер,

3- диффузор,

4- световод,

5- конденсор,

6- разделительная пластина;

7- компенсатор;

8(1), 8(2)-микрообъективы; 9-эталонное зеркало; 10 -проекционный объектив; 11, 14-зеркало,

12-окуляр;

13-гомаль.

Другая часть лучей отражается от пластинки 6 и интерферирует с лучами первой ветви микроинтерферометра, образуя резкое изображение интерференционных полос в бесконечности. Это изображение объективом 10 переносится в фокальную плоскость окуляра 12. Вместо окуляра в визуальный тубус устанавливается ПЗС камера.

Таким образом, изображения интерференционных полос и фазового объекта получаются в фокальной плоскости окуляра ПЗС камеры, и налагаются друг на Друга.

Недостатком этого микроскопа является конструкция пьезосдвигающего устройства: эталонное зеркало 9 перемещается отдельно от микрообъектива 8(1), что приводит к изменению кривизны волнового фронта в зависимости от положения зеркала. Следовательно, происходит изменение ширины полос на интерферограммах, что обуславливает ошибку измерения. Это имеет большое значение при измерении субнанометровой шероховатости.

В связи с усовершенствованием технологий и ужесточением высоких требований к оптическим поверхностям подложек лазерных гироскопов возникла необходимость в измерении шероховатостей в субнанометровом диапазоне.

2.2. Математическое моделирование процесса реконструкции фазовых изображений на автоматизированном интерференционном микроскопе МИА-1М

Для обеспечения возможности измерения микрорельефа субнанометрового диапазона необходимо было оценить предельные возможности самого микроскопа и его программного обеспечения [19].

Вначале были исследованы собственные фотометрические шумы регистратора интерференционных изображений. В качестве регистратора в модернизированном микроинтерферометре МИА-1М используется высокоразрешающая ПЗС-камера Видеоскан 285 USB. Эта камера обеспечивает получение 8-битовых полутоновых размером 1392x1040 пикселей со скоростью 2 кадра/с.

Для исследования собственных шумов камеры были записаны подряд 30 изображений интерферограмм (см. рисунок 3). Параметры записи были выбраны так, чтобы обеспечить широкий динамический диапазон, контролируемый по гистограмме изображения.

По всем изображениям для одного и того же пикселя было найдено среднеквадратическое отклонение (СКО) интенсивности и получено двумерное распределение СКО по полю изображения (рисунок 4).

Рисунок 3. Интерферограмма, записанная с помощью видеокамеры

Видеоскан 285 USB.

Рисунок 4. Двумерное распределение СКО интенсивности по 30

изображениям.

Из сравнения рис. 3 и рис. 4 видно, что максимальное СКО соответствует местам с наибольшей интенсивностью. На рисунке 5 представлен график горизонтального сечения двумерного СКО, изображенного на рис. 4 .

Рисунок 5. График горизонтального сечения двумерного СКО

По графику видно, что СКО в областях с минимальной интенсивностью составляет в среднем около 1 градации, а в областях с максимальной

интенсивностью - 2 градации. В дальнейшем эти данные использованы при компьютерном моделировании алгоритма реконструкции фазы по интерферограммам.

На основании численного моделирования проведен анализ возможностей программного обеспечения, выбраны оптимальные параметры регистрации интерферограмм и реконструкции фазовых изображений. Также были рассмотрены особенности реализации метода фазовых шагов для супергладких поверхностей и приведены экспериментальные результаты, подтверждающие возможность измерения параметров шероховатостью с чувствительностью не хуже 0,4 нм.

Для автоматической расшифровки интерферограмм используется метод дискретного фазового сдвига (метод фазовых шагов) [20]. Суть этого метода заключается в следующем. Уравнение интерферограммы можно записать в виде: 1к(х,у)=А(х,у)+В(х,у)со8(2я/Х)[Ф(х,у)+ Ы], (1)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Цельмина, Ирина Юрьевна, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. П. И. Малеев. Новые типы гироскопов. Л.: «Судостроение», 1971 - С.

2. Карташев А. И. Шероховатость поверхности и методы ее измерения. М.: Изд-во гос. комитета стандартов, мер и измерительных приборов СССР, 1964.

3. Егоров В. А. Оптические и щуповые приборы для измерения шероховатости поверхности. М.: Машиностроение. — 1965.

4. Уайтхауз Д. Метрология поверхностей. Принципы, промышленные методы и приборы. Долгопрудный: «Интеллект», 2009.

5. Тычинский В.П. Компьютерный фазовый микроскоп.- М.: Знание, -

1989.

6. Минаев В.Л., Вишняков Г.Н., Левин Г.Г. Автоматизированный интерференционный микроскоп: Тез. докл. Научно-практическая конференция «Голография в России и за рубежом. Наука и практика». - М., 2005.- С. 71.

7. L. Deck and Peter de Groot. High-speed noncontact profiler based on scanning white-light interferometry. Appl. Optics, - 1994 - vol. 33, No.31. - P. 7334 -7338.

8. Вишняков Г.Н., Левина Э.Ю., Минаев В.Л., Моисеев H.H., Цельмина И.Ю. Применение интерферометра "белого света" для измерения профиля и шероховатости оптических деталей // Тез. Докл. Научно-практическая конференция «Голография в России и за рубежом. Наука и практика», М., 2009. -С. 72.

9. M. М. Барышева, Ю. А. Вайнер и др. Особенности изучения шероховатости подложек для многослойной рентгеновской оптики методами малоугловой рентгеновской рефлектометрии, атомно-силовой и интерференционной микроскопии: Известия РАН. Серия физическая, 2011. - Т. 75, № 1. - С. 71-76.

10. http: И traditio-ru.org. / Традиция. Русская энциклопедия.

11. Романова Г.Э., Парпин М.А., Серегин Д.А. Конспект лекций по курсу «Компьютерные методы контроля оптики» / С.-Пб.: ИТМО, 2011.

12. Кривовяз JI.M., Пуряев Д.Т., Знаменская М.А., Практика оптической измерительной лаборатории, / М.: Машиностроение, 1974.

13. Creath К. "Phase measurement interferometry techniques", Progress in Optics, - 1988 - Vol. 26. - P. 349-393.

14. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л., Цельмина И.Ю. Автоматизированный интерферометр для контроля плоских и сферических полированных поверхностей // Оптический журнал, М., - 2013. - №5. - С. 76-82.

15. http://www.oop-ros.org/maket/partl/refl_l/L2.34.pdf /Э.В. Корнеева, Б.Г. Маршаков, В.В. Фуфурин, А.И. Шмидт / Стереоскопический панкратический микроскоп МБС-14.

16. http://www.magistrblog.ru/view_post.php?id=1065 / Современный аналог микроскопа МБС.

17. Линник В.П. Прибор для интерференционного исследования отражающих объектов под микроскопом ("микроинтерферометр"). - ДАН СССР, 1933 - №1. - С. 18-23.

18. Минаев В.Л. Интерференционные методы измерения интегральных и локальных параметров фазовых микрообъективов / (диссертационная работа), М., 2005, - С. 68.

19. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л., Цельмина И.Ю. Интерференционная микроскопия субнаномерового разрешения по глубине // Мир голографии, М., - 2013. -Т 1, №1. - С.157-159.

20. http://www.optics.arizona.edu/fab&test/Fall09/415L_515L/Lab3/Wyants% 20PSI.pdf. / J.C. Waynt. Phase Shifting Interferometry.nb, 2011.

21. Schwider, J., R. Burow, К. E. Elssner, J. Grzanna, R. Spolaczyk, and K. Merkel, Digital Wavefront Measuring Interferometry: Some Systematic Error Sources // Appl. Opt., 1983. - Vol. 22. - P 3421.

22. Вишняков Г. H., Закарян КС., Левин Г.Г., Стрелецкая Е. А. Исследование оптически прозрачных объектов при помощи томографического микроскопа Линника // Измерительная техника, М., - 1999. - Т. 1. - С. 46-49.

23. ГОСТ 9847-79. Приборы оптические для измерения параметров

шероховатости поверхности. Типы и основные параметры. М.: Изд — во стандартов, 1979.

24. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В. Л. Томографическая микроскопия трехмерных фазовых объектов в пространственно - некогерентном свете. - Оптика и спектроскопия, М., - 2003 - Т. 95, №1. - С. 131-135.

25. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л., Цельмина И.Ю. Интерференционная микроскопия субнаномерового разрешения по глубине. Экспериментальные результаты // Оптика и спектроскопия, М., - 2014. - Т. 116, №6. - в печати.

26. ГОСТ 25142-82 Шероховатость поверхности. Термины и определения. М.: Изд - во стандартов, 1982.

27. Топорец A.C. Оптика шероховатой поверхности, Л.: Машиностроение, 1988.

28. Greate К., J. Wyant. Absolute measurement of surface roughness// Appl. Opt. - 1990. - Vol 29. - P. 3823-3829.

29. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. М.: Изд - во стандартов, 1973.

30. Г.Н. Вишняков, И.Ю. Цельмина Исследование оптических поверхностей, обработанных при помощи полиуретана // Оптический журнал, М., - 2012. - № 12. - С. 68-70.

31. ISO 4288:1996. Геометрические характеристики изделий (GPS). Структура поверхности. Профильный метод. Определение и параметры. Структуры. (ISO ТС 213 Технические требования в отношении размерностей и геометрических размеров продукции и их проверки), 1996.

32. Моисеев H.H., Цельмина И.Ю. Измерение параметров шероховатости на интерференционном микроскопе // Метрология, М., - 2012. - №5. - С. 19-21.

33. ISO 16610-21:2011 Геометрические характеристики изделий (GPS). Фильтрация. Часть 21. Линейные профильные фильтры: Фильтры Гаусса. (ISO ТС 213 Технические требования в отношении размерностей и геометрических размеров продукции и их проверки), 2011.

34. Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Минаев В.Л., Цельмина И.Ю. Интерференционная микроскопия субнаномерового разрешения по глубине. Численное моделирование // Оптика и спектроскопия, М., - 2013. - Т. 115, №6. — С. 168-174.

35. Моисеев Н.Н., Золотаревский С.Ю. Эталонные средства измерений в оптической интерферометрии высокого разрешения // Измерительная техника, М.,-2012. -№8.-С. 36.

36. Вишняков Г.Н., Цельмина И.Ю. Интерференционные измерения геометрических параметров подложек лазерных зеркал. Тез. Докл. XVII научной конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение», М., 2008. - С. 4144.

37. Вишняков Г.Н., Ломакин А.Г.,. Цельмина И.Ю. Интерференционный метод контроля геометрических параметров подложек лазерных зеркал. Тез. Докл. V научно-практической конференции «Голография в России и за рубежом», С-Пб., 2008. - С. 222-223.

38. Вишняков Г. Н., Цельмина И.Ю. Измерение радиуса кривизны и децентровки подложек лазерных зеркал на компьютерном интерференционном профилометре // Измерительная техника, - М., 2012. - №8. - С. 37-39.

39. ГОСТ 8. 215 - 76. Пластины плоские стеклянные для интерференционных измерений. Методы и средства поверки. М.: Изд - во стандартов, 1978.

40. Р 50.2.038-2004. ГСИ. Измерения однократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерений. М.: Росгосстандарт России, 2004.

41. ГОСТ 8.207-76. ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. М.: Изд - во стандартов, 1976.

42. Michael A. Taylor and Warwick P. Bjwen. Enhanced sensitivity in dark — field microscopy by optimizing the illumination angle. // Applied Optics. - 2013 - Vol. 52-P. 5718-5723.

43. Максутов Д.Д. Астрономическая оптика. ОГИЗ ГОСТЕХИЗДАТ (государственное издательство технико-теоретической литературы). М., JL, 1946.

44. С.И. Бычков, Д.И. Лукьянов, А.И. Бакаляр. Лазерные гироскоп Изд. «Советское радио», М., 1975 - С. 424.

45. Г.Н. Вишняков., Г.Г. Левин., Н.Н. Моисеев., В.Л. Минаев., И.Ю. Цельмина. Автоматизированный интерферометр для контроля плоских и сферических оптических элементов, Тез. Докл. «Голография в России и за рубежом»., С - Пб, 2012.

46. Interferogramm analysis for optical testing / Ed. by D. Malacara. Taylor&Francis Group. - 2005.

47. http://www.optics.arizona.edu/fab&test/Fall09/415L 515L/Lab3/Wvants% 20PSI.pdf. / Wyant J.C. Phase Shifting Interferometry.nb, 1998.

48. K. Hibino, B.F. Oreb, D.I. Farrant, K.G. Larkin. Phase-shifting algorithms for nonlinear and spatially nonuniform phase shifts // JOSA A. - 1997. - Vol. 14.- P. 918-930.

49. Ковалев A.A., Сухоруков K.A. Восстановление формы волнового фронта при больших изменениях фазы // Измерительная техника, М., - 2004. - № 4. - С. 17-19.

50. Оптический производственный контроль. Под редакцией Д. Малакары, М.: Машиностроение. - 1985.

51. ГОСТ 11141-84. Детали оптические. Классы чистоты поверхностей. Методы контроля. Государственный комитет по стандартам. М.: Изд - во стандартов. - 1984.

52. У. Хартманн. Очарование нанотехнологии. М., БИНОМ, Лаборатория знаний.- 2008.-С. 28.

53. А.С.Топорец. Оптика шероховатости поверхности., Ленинград, «Машиностроение», Ленинградское отделение. - 1988. - С. 63.

54. А.А. Tesar and В.А. Fuchs. Removal Rates of Fused Silica with corium Oxide/Pitch Polishing. Proc. SPIE 1531. - 1992. - P. 80-90.

55. M.J. Cumbo, Chemo-mechanical Interactions in Optical Poling// Ph.D. Dissertation. Univ. of Rochester/ Rochester. NY, 1993.

56. J. E. DeGroote, S.D. Jacobs, L. L. Gregg, A.E. Marino Quantitative characterization of optical polishing pitch. Proc. SPIE 4451, 2001. - P. 209-221.

57. R.R. Berggren and R. A. Schmell, Pad polishing for rapid production of large flats, Proc. SPIE 3134, 1997.- P. 252-257.

58. Yaguo Li, Jing Hou, Qiau Xu, Jian Wang, Wei Yang, and Yindio Guo, The Characteristics of Optics polished with a polyurethane pad//OPTICS EXPRESS 10285, 2008. - Vol. 16, No. 14. - P. 7-16.

59. L.M.Cook. Chemical process in glass polishing. J. / Non-Crystaline Solids 120,1990.-P. 152-171.

60. H.Lu, B. Fookes, Y. Obeng, S. Machinski, K.A. Richardson, Quantitative analysis of physical and chemical changes in CMP polyurethane pad surfaces. Materials Characterizaton, 2002. - P. 49, 35-44.

öl.T.Kamimura, S. Akamatsu, M. Yamamoto, I. Yamato, H. Shiba, S. Motokoshi, T. Sakamoto, T. Okamoto, K. Yoshida. Enhancement of Surface-damage Resistance by Removihg a Subsurface Damage in Fused Silica. Proc. SPIE 5273,2005 -P. 244-249.

62. L.S. Ramanathan, S. Sivam, M.K. Mishrara. "Poliurethane", in Polymer Data Handbook. J.E. Mark, ed. Oxford Univ. Press, 1999.

ОТКРЫТОЕ ЛМЦШНЕРНСШ ОБЩЕСТВО