Виброустойчивый оптический профилометр

Полезная модель из области интерферометрии предназначена для бесконтактного оптического контроля поверхности образца и может быть применена как устройство измерения профиля и малого смещения точек поверхности.

Устройство состоит из линзы оптически связанной с двумя поляризаторами, расположенными в одной плоскости и ориентированными во взаимно-перпендикулярных направлениях, в свою очередь, оптически связанными с фазовым модулятором. Оптическая ось фазового модулятора совпадает с оптической осью расположенного после него анализатора, оптически связанного с призмой Френеля. Призма Френеля оптически связана с линзой, на одной оптической оси с которой расположен матричный фотоприемник непосредственно после линзы.

Технический результат - возможность получить двумерную картину рельефа поверхности, с сохранением качества измерения независимо от уровня вибраций исследуемого образца в целом. Описание на 7 страницах, прилагается однозвенная формула и 1 ил.

Полезная модель относится к области оптических приборов и представляет собой оптическую схему измерительного устройства. Прибор относится к области интерферометрии и основан на новом подходе к интерференционному анализу рельефа объектов. Он позволяет измерять профиль поверхности и измерять малейшие смещения и вибрации выделенных точек образца.

Конструкция устройства позволяет упростить схему фазовой модуляции и разделения опорного и объектного пучка света, сохраняя при этом точно заданную разность хода лучей. Устройство содержит линзы, призму Френеля, два поляризатора и фазовый модулятор, что позволяет совместить изображение с различных точек плоскости и измерить сдвиг фаз между опорной и объектной волной. При этом под опорной волной подразумевается смещенная объектная волна, то есть волна исходящая из соседней точки исследуемой поверхности, смещенной относительно исходной благодаря оптическим свойствам призмы Френеля.

Из существующего уровня техники известен известен метод виброустойчивого интерференционного анализа расстояния до объекта с точностью до долей длины волны, основанный на фазовой модуляции светового излучения и разделении оптического пути различно- поляризованного излучения, описанный в патенте 2406971.

Этот метод основан на следующем принципе. Плоскополяризованный в горизонтальной плоскости входной световой пучок с длиной волны , пройдя анализатор поляризации излучения и фазовый модулятор, поступает на вход светоделителя (двулучепреломляющий кристалл), где происходит его расщепление на два ортогонально поляризованных световых пучка равной интенсивности. Один световой пучок испытывает отражение от первого отражателя (первой точки объекта, расстояние до которой требуется измерить), а второй - от второго отражателя (второй точки объекта). После чего они идут в обратном направлении, при этом они приобретают оптическую разность хода равную 2₀, где ₀ - начальное смещение относительно друг друга первого и второго отражателей. В обратном ходе они объединяются на выходе светоделителя и интерферируют между собой, что приводит вследствие наличия оптической разности хода 2₀ к изменению поляризации излучения, которое, пройдя фазовый модулятор, поступает на анализатор поляризации излучения. Анализатор поляризации излучения направляет излучение, поляризованное в вертикальной плоскости, идущее в обратном ходе на фотоприемник.

Изменение показателя преломления фазового модулятора n(1)=nx 2(t)-ny 2(t) приводит к появлению разности фаз между ортогонально поляризованными составляющими вектора напряженности электрического поля световой волны, параллельными плоскостям, в которых лежат оптические оси первого и второго двулучепреломляющих кристаллов светоделителя. Это приводит к изменению поляризации излучения, поступающего на анализатор поляризации излучения в обратном ходе. Анализатор поляризации излучения направляет излучение, поляризованное в вертикальной плоскости, идущее в обратном ходе на фотоприемник.

Однако использованные в данном методе измерения двулучепреломляющие кристаллы не позволяют с достаточной точностью получать двумерное изображение поверхности исследуемого объекта.

Помимо, этого существуют приборы, дающие информацию об «абсолютной» высоте неровности также с точностью до долей длины волны. В частности, известен интерферометр Майкельсона [1], содержащий коллиматорный объектив, светоделитель, первый и второй выходы которого оптически связаны с отражателями, а третий выход оптически связан с объективом, в задней фокальной плоскости которого формируется интерференционное поле, являющееся выходом интерферометра. На выходе интерферометра возможно измерение интерференционной картины объектного луча и опорного луча, отраженным от зеркальной поверхности.

Данный подход в создании прибора, описанный в патенте 2245515, отличается наличием точного прочно закрепленного зеркального элемента чувствительного к малейшим вибрациям установки. В этом интерферометре при наличии вибраций происходит изменение величины оптических путей интерферирующих световых пучков, что приводит к паразитному дрожанию интерференционной картины.

Два эти метода основаны соответственно на зеркальных и поляризационных интерферометрах сдвига.

Методы, основанные на использовании различных интерферометров сдвига, являются одними из наиболее эффективных. В частности, широкое применение получили зеркальные интерферометры сдвига. Но по ряду конструктивных причин такие интерферометры обладают существенными ограничениями: невысокой помехозащищенностью от вибраций, от тепловых потоков в окружающей среде, а также невысокой контрастностью получаемой интерференционной картины. Другим, свободным от вышеперечисленных ограничений и наиболее перспективным подходом, на наш взгляд, является использование поляризационных интерферометров сдвига.

Для устройств, использующих интерференцию поляризованных лучей, характерна простота методики обработки интерферограмм и достаточно высокий контраст получаемой интерференционной картины.

Недостатки существующих общеизвестных разработок заключаются в узкой области их применения и высокой сложности изготовления. Это определяется тем, что используемый в патенте на изобретение 2406971 нелинейный кристалл достаточно дорог и благодаря своим нелинейным свойствам не позволяет получать двумерное изображение. В случае анализа и измерения рельефа некоторой поверхности это потребует осуществлять сканирование поверхности объекта, что потребует оснащения прибора механической системой развертки. Таким образом, получится громоздкая и недостаточно надежная конструкция. В нашем же случае при применении классических поляризаторов, расположенных в одной плоскости ориентированных во взаимно ортогональных направлениях возможно получение двумерного изображения объекта.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является первый из описаных приборов (приведенный в патенте 2406971), основанный на использовании поляризационных интерферометров сдвига.

Техническая задача полезной модели - определение конструкции прибора позволяющей добиться увеличения точности бесконтактного анализа смещения и профиля поверхности. Повышение достоверности измерений прибором объясняется сканированием по фазе рассеяного когерентного излучения, в совокупности с системой поляризаторов и анализатора оптически связанных с призмой Френеля, позволяющих свести к минимуму влияние вибраций и смещений объекта на качество измерений.

Задача полезной модели решается за счет нахождения интерференционной картины смещением фаз двух лучей со взаимно-ортогональной поляризацией - объектного и опорного совмещением вышеперечисленных за счет бипризмы Френеля и разделении оптического пути для объектной и опорной волны по поляризациям с последующим их совмещением и регистрацией интерференционной картины матричным фотоприемником.

Преимущества данного подхода состоят в возможности получения двумерной картины рельефа поверхности, с сохранением качества измерения независимо от уровня вибраций исследуемого образца в целом.

Сущность полезной модели поясняется на фигуре, где

1 - исследуемая поверхность;

2 - пучок когерентного излучения;

3 -линза;

4 - плоскость с двумя поляризаторами, ориентированными в ортогональных направлениях;

5 - фазовый модулятор;

6 - анализатор;

7 - бипризма Френеля;

8 - линза;

9 - фотоприемная/светочувствительная матрица. Принцип измерения образца устройством следующий:

В режиме измерения с блока управляющего напряжения на фазовый модулятор 5 подается управляющее пилообразное напряжение U(t), позволяющее менять разность фаз Ф(t) ортогонально поляризованных составляющих световой волны в диапазоне от 0 до . При подаче на фазовый модулятор 5 управляющего пилообразного напряжения U(t) происходит изменение показателей преломления вдоль кристаллофизических осей Х₂, у₂. Разность этих показателей преломления n(t)=n_x2(t)-n_y2(t) приводит к появлению разности фаз между ортогонально поляризованными составляющими вектора напряженности электрического поля световой волны, перпендикулярные плоскости 4, в которой лежат поляризаторы. Зависимость наводимой фазовым модулятором 5 разности фаз Ф(t) от величины управляющего напряжения U(t) линейная.

Ортогонально поляризованные компоненты входного светового пучка, вышедшие из поляризаторов излучения лежащих в плоскости 4, поступают на вход фазового модулятора 5. Его оси наведенной анизотропии показателя преломления х ₂, у₂ повернуты в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения относительно ортогонально расположенных плоскостей поляризации входного светового пучка на угол 45°. После двулучепреломления на входной грани фазового модулятора 5 плоскополяризованная световая волна преобразуется в две ортогонально поляризованные составляющие Ех₂ ; и Еу₂. В фазовом модуляторе 5 между ортогонально поляризованными составляющими наводится разность фаз, равная Ф(t), после чего излучение поступает на вход анализатора 6, после чего идет на бипризму Френеля 7, за которой линзой 8 фокусируется на фотоприемную матрицу 9.

При подаче на фазовый модулятор управляющего напряжения происходит изменение показателя преломления вдоль кристаллофизических осей х2, у2:

n_x2=n₀+n₀³C(t)/2d,

n_y2=n _0-n₀³C(t)/2d,

где n₀ - показатель преломления обыкновенной волны в электрооптическом материале, C(t) - параметр, зависящий от приложенного напряжения и электрооптических свойств материала модулятора, d - расстояние между обкладками модулятора.

Изменение показателя преломления n(t)=n_x2(t)-n_y2(t) приводит к появлению разности фаз между ортогонально поляризованными составляющими вектора напряженности электрического поля световой волны.

Зависимость наводимой фазовьм модулятором 2 разности фаз от величины управляющего напряжения линейная. Она имеет вид

Ф=2n₀³C(t)/.

Суммарная разность фаз для двух лучей разной поляризации составит

Ф=2 n₀³C(t)/+2₀/

Зависимость величины интенсивности излучения от наведенной разности фаз между ортогональными световыми пучками без учета потерь на поляризационных фильтрах составит:

I_вых(t)=I₀sin²( n₀³C(t)/+₀/).

Устройство работает следующим образом:

Исследуемая поверхность (1) освещается при помощи источника когерентного монохроматического света (2). Рассеянный на поверхности свет, пройдя через линзу (3), поступает на взаимно перпендикулярные поляризационные фильтры, лежащие в одной плоскости (4), формирующие одинаковую картину поверхности, но в разной поляризации. Далее поляризованный свет попадает на фазовый модулятор (5), обеспечивающий различный сдвиг фаз для различно поляризованного излучения. После фазового модулятора свет попадает на поляризационный фильтр-анализатор (6), поляризующий свет в плоскости, расположенной под углом 45 градусов к плоскостям поляризации фильтров (4), затем на бипризму (7) и линзу (8), формирующие на матричном фотоприемнике (9) интерференционную картину из двух исходных световых картин, смещенных друг относительно друга по оси Ох. Каждая точка интерференционной картины будет получаться интерференцией лучей, пришедших из двух точек исследуемой поверхности, а разность фаз этих лучей (Ф) будет складываться из разности хода, обеспеченной неровностью исследуемой поверхности (), и сдвигом фаз, привнесенным фазовым модулятором ().

Ф=+.

Обеспечивая с помощью управляющего сигнала фазового модулятора значения у в пределах от 0 до до 2 и регистрируя фотоприемником интерференционные картины для различных значений гамма, для каждой точки картины можно найти значения, при которых интенсивность в этой точке достигнет максимума и минимума. Эти значения будут соответствовать разности хода Ф в 0 и соответственно. По формуле =Ф- можно вычислить изначальную разность хода, обеспеченную неровностью поверхности и таким образом восстановить картину рельефа исследуемой поверхности с точностью до малых долей длины волны.

Признаками устройства являются два поляризатора, закрепленные в одной плоскости перед фазовым модулятором оптически связанным с анализатором поляризации расположенным перед призмой Френеля и оптически с ней связанным. Причем граница между двумя поляризаторами расположена напротив грани призмы Френеля, через которую можно построить плоскость симметрии.

Преимуществами данного профилометра является высокая точность и скорость измерений, а также нечувствительность к перемещениям и вибрациям исследуемой поверхности и почти полная нечувствительность к неоднородности оптических свойств и поляризационным свойствам поверхности. Также его компактность, обусловленная отсутствием подвижных механических узлов.

Список литературы

1. Ландсберг Г.С. Оптика.- М.:Наука, 1976.-928 с.

Виброустойчивый интерферометр, содержащий линзу, оптически связанную с плоскостью, в которой расположены два поляризационных светофильтра, при этом каждый из поляризационных светофильтров оптически связан с фазовым модулятором, последовательно с которым на одной оптической оси установлен анализатор поляризации, и установлена оптически с ним связанная призма Френеля, выход которой оптически связан с линзой, причем так, что лучи, прошедшие сквозь призму Френеля, фокусируются линзой на фотоприемной матрице, оптически связанной с линзой, отличающийся тем, что главная оптическая ось одного из поляризационных светофильтров повернута относительно оси другого на угол 90°, а главная оптическая ось анализатора ориентирована под углом 45° к оптическим осям поляризационных светофильтров, при этом анализатор оптически связан с призмой Френеля так, что грань призмы, лежащая в плоскости симметрии призмы, расположена параллельно границе, разделяющей два поляризационных светофильтра, помимо этого призма Френеля оптически связана с линзой, а та в свою очередь - с фотоприемной матрицей.