RU157299U1

RU157299U1 - Устройство для регистрации индикатрисы рассеяния излучения от контролируемой поверхности

Info

Publication number: RU157299U1
Application number: RU2015123242/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Григорьевич Полещук; Владимир Николаевич Хомутов
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2015-11-27

Abstract

1. Устройство для регистрации индикатрисы рассеяния излучения от контролируемой поверхности, состоящее из основания, координатного стола, рассеивающего экрана, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры, проекционного объектива, блока обработки и управления, электрически связанного с координатным столом, источником излучения и видеокамерой, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено хотя бы одной видеокамерой с проекционным объективом, электрически связанной с блоком обработки и управления, а рассеивающий экран выполнен в виде сферического сегмента с пропускающим окном, причем центр сферического сегмента совмещен с областью фокусировки фокусирующего объектива, а пропускающее окно расположено между центром сферического сегмента и фокусирующим объективом.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что высота сферического сегмента h рассеивающего экрана выполнена определяемой из соотношения:где R- радиус сферического сегмента рассеивающего экрана: α- максимальный регистрируемый угол рассеяния излучения.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пропускающее окно выполнено в виде сквозного отверстия в рассеивающем экране.4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что область фокусировки фокусирующего объектива определена из соотношения:где Μ=0,5-1,5 - постоянный коэффициент; λ - длина волны источника излучения; ΝΑ - числовая апертура источника излучения с фокусирующим объективом.5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что диаметр пропускающего окна выполнен определяемым из соотношения:где К=1,1-1,5 - постоянный коэффициент; ΝΑ - числовая апертура источника излучения с фокусирующим объективом.

Description

Техническое решение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для исследования свойств материалов с помощью оптических средств, и может быть использовано в приборостроении, оптике, машиностроении, аналитической технике, микроэлектронике для измерения геометрических параметров микрорельефа контролируемой поверхности, например, ее шероховатости.

Известно техническое решение, представленное в устройстве для регистрации индикатрисы рассеяния излучения (Патент США №8405832 B2 «Light scattering measurement system based on flexible sensor array», МПК G01J 1/00, G01J 3/00, G01N 21/55, опубликовано 16.06.2011) и состоящее из источника излучения, контролируемой поверхности и полусферической матрицы фотоприемников, связанной с блоком обработки.

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции устройства, обусловленная технологической сложностью изготовления матрицы фотоприемников в виде полусферы, ограниченное пространственное разрешение, а также в невозможность регистрации индикатрисы рассеяния широкополосного оптического излучения отдельно в разных участках спектра.

Известно техническое решение, представленное в устройстве для регистрации индикатрисы рассеяния излучения (Патент США №4991971 «Fiber optics scatterometer for measuring optical surface roughness», МПК G01B 11/30; G01N 21/47, опубликовано 12/02/1991) и состоящее из источника излучения, контролируемой поверхности, матрицы оптических волокон и линейной фотоматрицы, связанной с блоком обработки

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, обусловленная сложностью изготовления матрицы оптических волокон, выполненных в виде полусферы и стыкованных с фотоматрицей, ограниченное пространственное разрешение, а также ограниченный спектральный диапазон, большие световые потери и шумы, обусловленные затуханием и паразитной интерференцией света в оптических волокнах.

Известно техническое решение, представленное в способе регистрации индикатрисы рассеяния излучения (Патент РФ №2183828, «Способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния», МПК G01N 21/47, опубликован 20.06.2002) и реализуемое устройством, содержащее источник оптического излучения, коллиматор, светоделительную пластину, поворотное зеркало, объективы, подвижную диафрагму и фотоприемник.

Недостатком данного технического решения является малый угловой диапазон регистрации индикатрисы рассеяния, а также низкое быстродействие и сложность конструкции.

Известно техническое решение, представленное в устройстве для регистрации индикатрисы рассеяния излучения (Хомутов В.Н., Полещук А.Г., Черкашин В.В. Измерение дифракционной эффективности ДОЭ по многим порядкам дифракции // Компьютерная оптика, 2011, том 35, №2 С. 196-202 http://www.computeroptics.smr.ru/KO/PDF/KO35-2/10.pdf), выбранное в качестве прототипа, состоящее из основания, координатного стола, рассеивающего экрана, источника излучения с фокусирующим объективом, видеокамеры с проекционным объективом, блока обработки электрически связанного с координатным столом, источником излучения и видеокамерой.

Недостатком данного технического решения является малый диапазон углов регистрируемой индикатрисы рассеяния излучения, ограниченное пространственное разрешение, сложность конструкции и зависимость регистрируемой индикатрисы рассеяния от направления поляризации источника излучения.

Индикатриса рассеяния - это диаграмма, изображающая зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния (Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1969-1978). Индикатриса рассеяния наиболее полно характеризует конфигурацию и ориентацию дефектов контролируемой поверхности. Если дефекты соизмеримы с длиной волны света, то диапазон углов рассеяния достигает α=+/-90°. В известном техническом решении регистрация индикатрисы рассеяния осуществляется с помощью плоского рассеивающего экрана (пластина матового стекла), установленного на расстоянии А от контролируемой поверхности. Размер L экрана определяется из соотношения:

где α_max - максимальный регистрируемый угол рассеяния излучения.

Если углы рассеяния превышают величину α=60-65°, то рассеянное излучение падает на плоский экран под скользящими углами, что вносит большие потери излучения, которые так же зависят от направления поляризации источника излучения. При больших углах рассеяния, поперечные размеры экрана становятся значительными. Например, при A=10 мм и α_max=85°, размер экрана достигает L~230 мм, что усложняет конструкцию. Кроме того, регистрация индикатрисы рассеяния в известном устройстве при больших углах рассеяния затруднительна, так как световой поток не полностью попадает в видеокамеру из-за больших размеров экрана и скользящих углов падения, что ограничивает пространственное разрешение.

Перед авторами ставилась задача разработать устройство для регистрации индикатрисы рассеяния излучения от контролируемой поверхности с широким диапазоном углов регистрации индикатрисы рассеяния, нечувствительное к поляризации источника излучения и обладающее простой конструкцией.

Поставленная задача решается, тем, что устройство для регистрации индикатрисы рассеяния излучения от контролируемой поверхности, состоящее из основания, координатного стола, рассеивающего экрана, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры, проекционного объектива, блока обработки и управления, электрически связанного с координатным столом, источником излучения и видеокамерой, дополнительно оснащено хотя бы одной видеокамерой с проекционным объективом, электрически связанной с блоком обработки и управления, а рассеивающий экран выполнен в виде сферического сегмента с пропускающим окном, причем центр сферического сегмента совмещен с областью фокусировки фокусирующего объектива, а пропускающее окно расположено между центром сферического сегмента и фокусирующим объективом, далее высота сферического сегмента h рассеивающего экрана выполнена определяемой из соотношения: h=R_c(1-cos(α_max)), где R_c - радиус сферического сегмента рассеивающего экрана, α_max - максимальный регистрируемый угол рассеяния излучения, далее пропускающее окно выполнено в виде сквозного отверстия в рассеивающей экране, кроме того область фокусировки фокусирующего объектива определена из соотношения: L=Mλ/NA, где M=0.5-1.5 - постоянный коэффициент, λ - длина волны источника излучения, NA - числовая апертура источника излучения с фокусирующим объективом, причем диаметр пропускающего окна выполнен определяемым из соотношения: D_окна=2KR_cNA, где K=1.1-1.5 - постоянный коэффициент, NA - числовая апертура источника излучения с фокусирующим объективом.

Технический эффект заявляемого технического решения заключается в расширении арсенала средств данного назначения. Кроме того, технический результат заключается в возможности регистрации индикатрисы рассеяния излучения контролируемой поверхности в широком диапазоне углов и спектральном диапазоне при одновременном упрощении конструкции устройства, что обеспечивает бесконтактное измерение размеров и ориентации микродефектов поверхности (микрорельефа, шероховатостей) с периодом следования в диапазоне от 1-1.5 до 10-20 длин волн света источника излучения.

На фиг. 1 представлена схема устройства для регистрации индикатрисы рассеяния излучения контролируемой поверхности, где 1 - источник излучения, 2 - фокусирующий объектив, 3 - область фокусировки излучения, 4 - контролируемая поверхность, 5 - исследуемый образец, 6 - координатный стол, 7 - рассеивающий экран, 8 - пропускающее окно, 9 - световые пятна, 10 - видеокамера, 11 - проекционный объектив, 12 - основание, 13 - блок обработки и управления, 14 - защитный кожух, 15 - спектральный светофильтр.

Заявляемое устройство для регистрации индикатрисы рассеяния излучения от контролируемой поверхности работает следующим образом. Световой поток от источника излучения 1, например, лазера, фокусируется фокусирующим объективом 2 в область 3 фокусировки излучения на контролируемой поверхности 4 исследуемого образца 5, который установлен на координатном столе 6. Между контролируемой поверхностью 4 и фокусирующим объективом 2 расположен рассеивающий экран 7 выполненный в форме сферического сегмента. Для ввода светового потока источника излучения 1 в рассеивающий экран 7 выполнено пропускающее окно 8, которое расположено вдоль оптической оси, соединяющей область 3 фокусировки излучения и источник излучения 1. Пропускающее окно 8 может быть выполнено в виде сквозного отверстия в поверхности рассеивающего экрана 7 с диаметром достаточным для прохождения излучения. Пропускающее окно 8 может быть расположено, как по нормали к контролируемой поверхности 4 (фиг. 1), так и в любом другом удобном месте рассеивающего экрана 7. Рассеивающий экран 7 может быть выполнен из оптически прозрачного материала, например, из стекла или пластика. Одна из поверхностей рассеивающего экрана 7, например, внешняя, выполняется рассеивающей световое излучение (матовая поверхность).

Центр рассеивающего экрана 7 с радиусом R_c совмещен с областью 3 фокусировки излучения фокусирующего объектива 2 источника излучения 1. Область фокусировки излучения 3 представляет собой световое пятно на контролируемой поверхности 4 исследуемого образца 5. Диаметр пропускающего окна 8 определяется из соотношения:

где K=1.1-1.5 - постоянный коэффициент, NA - числовая апертура источника излучения с фокусирующим объективом.

Размер L области фокусировки 3 излучения определяется числовой апертурой NA источника излучения с фокусирующим объективом 2 и длиной волны λ источника излучения из соотношения:

где M=0.75-1.5 - постоянный коэффициент.

Например, если L=20 мкм, λ=0.633 мкм, R_c=20 мм, то из выражения (3) числовая апертура будет NA=0.038, а из выражения (2) диаметр пропускающего окна будет D_окна≈1.6 мм.

Рассеивающий экран 7 расположен на расстоянии d от контролируемой поверхности 4. Расстояние d выбирается из условия исключения касания основания рассеивающего экрана 7 контролируемой поверхности 4 при ее перемещении (сканировании) с помощью координатного стола 6. Так как R_c=d+h, то высота сферического сегмента h рассеивающего экрана 7 определяется из соотношения:

где R_c - радиус сферического сегмента рассеивающего экрана, α_max - максимальный регистрируемый угол рассеяния излучения.

Если h=19 мм, d=1 мм, то из выражения (4) максимальный регистрируемый угол рассеяния излучения составит α_max=87°.

Рассеянное в области фокусировки 3 излучение поступает на рассеивающий экран 7, образуя на нем световые пятна 9. Если контролируемая поверхность 4 является зеркально отражающей, или полностью поглощающей, то световые пятна 9 на поверхности рассеивающего экрана 7 отсутствуют. Если контролируемая поверхность 4 имеет микрорельеф, например, в виде шероховатостей с периодом Т, то световые пятна 9 появятся под углами

где m=±1, ±2, ±3… - номер дифракционного порядка, λ - длина волны источника излучения 1.

Из выражения (5) следует, что при величине регистрируемого угла рассеяния излучения α=87°, λ=0.633 мкм и m=±1, период шероховатостей будет T≈0.63 мкм.

С внешней стороны, рассеивающего экрана 7, может быть установлена хотя бы одна видеокамера 10 с проекционным объективом 11. Рассмотрим вариант установки двух видеокамер 10 с проекционными объективами 11 (фиг. 1)_. Видеокамеры 10 электрически соединены с блоком обработки 13. Проекционный объектив 11 проецирует изображение части поверхности рассеивающего экрана 7 на фотоматрицу видеокамеры 10. Для того, что бы вся поверхность рассеивающего экрана 7 была зарегистрирована, количество видеокамер 10 должно выть не менее двух. Если используется две видеокамеры 10 (Фиг. 1), то поле зрения каждого проекционного объектива 11 должно быть +/-45° по высоте и +/-90° по азимуту. Если используется четыре видеокамеры 10, то поле зрения каждого проекционного объектива 11 должно быть, соответственно, +/-45° по высоте и +/-45° по азимуту. Изображения всех видеокамер 10 обрабатываются в блоке обработки и управления 13.

Пространственное разрешение регистрации индикатрисы рассеяния излучения определяется количеством светочувствительных ячеек видеокамер. Например, при использовании видеокамеры типа MV1-D2048-160-CL (см. http://www.photonfocus.com) с количеством светочувствительных ячеек (пикселей) 2048×2048, пространственное разрешение при использовании двух видеокамер составит около 4096×2048.

Координатный стол 6, который перемещает контролируемую поверхность 4, установлен на основании 12. Для устранения влияния внешней засветки, введен защитный кожух 14, который закрывает все устройство.

Если источник излучения 1 имеет широкий спектр излучения, то для регистрации индикатрисы рассеяния излучения контролируемой поверхности 4 в отдельных участках спектра, введены дополнительные спектральные светофильтры 15, которые расположены между рассеивающим экраном 7 и видеокамерой 10 с проекционным объективом 11. Селективный спектральный светофильтр 15 используют либо для выделения узкой спектральной области, либо для отделения широкой области спектра. Меняя спектральный светофильтр 15 можно исследовать изменение индикатрисы рассеяния излучения в зависимости от длины волны.

В предлагаемом устройстве рассеянное излучение в области фокусировки излучения 3 падает на внутреннюю поверхность рассеивающего экрана 7 всегда под прямым углом. Это исключает влияние направления поляризации светового потока от источника излучения 1 на результат измерения индикатрисы рассеяния. Диапазон углов регистрации индикатрисы рассеяния света зависит от расстояния d между рассеивающим экраном 7 и контролируемой поверхностью 4. Например, если радиус рассеивающего экрана 7 R=20 мм, а расстояние d=1 мм, то максимальный регистрируемый угол рассеяния будет α_max≈87°, что существенно больше, чем в известном техническом решении.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает расширенный диапазон углов регистрации индикатрисы рассеяния света от контролируемой поверхности при одновременном упрощении конструкции устройства, не чувствительно к поляризации источника излучения. Расширенный диапазон углов регистрации индикатрисы рассеяния света обеспечивает бесконтактный контроль геометрических параметров микрорельефа поверхности (шероховатостей) в широком диапазоне изменения размеров.

Claims

1. Устройство для регистрации индикатрисы рассеяния излучения от контролируемой поверхности, состоящее из основания, координатного стола, рассеивающего экрана, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры, проекционного объектива, блока обработки и управления, электрически связанного с координатным столом, источником излучения и видеокамерой, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено хотя бы одной видеокамерой с проекционным объективом, электрически связанной с блоком обработки и управления, а рассеивающий экран выполнен в виде сферического сегмента с пропускающим окном, причем центр сферического сегмента совмещен с областью фокусировки фокусирующего объектива, а пропускающее окно расположено между центром сферического сегмента и фокусирующим объективом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что высота сферического сегмента h рассеивающего экрана выполнена определяемой из соотношения:

где R_c - радиус сферического сегмента рассеивающего экрана: α_mах - максимальный регистрируемый угол рассеяния излучения.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пропускающее окно выполнено в виде сквозного отверстия в рассеивающем экране.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что область фокусировки фокусирующего объектива определена из соотношения:

где Μ=0,5-1,5 - постоянный коэффициент; λ - длина волны источника излучения; ΝΑ - числовая апертура источника излучения с фокусирующим объективом.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что диаметр пропускающего окна выполнен определяемым из соотношения:

где К=1,1-1,5 - постоянный коэффициент; ΝΑ - числовая апертура источника излучения с фокусирующим объективом.