RU2062445C1 - Process of measurement of structure and dynamics of microobjects and device for its implementation - Google Patents
Process of measurement of structure and dynamics of microobjects and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2062445C1 RU2062445C1 RU94013184A RU94013184A RU2062445C1 RU 2062445 C1 RU2062445 C1 RU 2062445C1 RU 94013184 A RU94013184 A RU 94013184A RU 94013184 A RU94013184 A RU 94013184A RU 2062445 C1 RU2062445 C1 RU 2062445C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phase
- working signal
- filter
- unit
- output
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения структуры и динамики микрообъектов, а также к устройствам для его осуществления, и может быть использовано в биологии, физике твердого тела, микроэлектронике и т.д. The invention relates to measuring technique, in particular to methods for measuring the structure and dynamics of micro-objects, as well as to devices for its implementation, and can be used in biology, solid state physics, microelectronics, etc.
Известен способ для измерения микрообъектов, в частности профиля поверхности, в основе которого лежит исследование интерференционной картины, полученной в двухлучевом интерферометре с дискретным изменением оптической разности хода [1]
Устройство, реализующее этот способ, содержит источник света, двухлучевой интерферометр, координатно-чувствительный интегрирующий фотоприемник, электронный блок обработки интерференционного сигнала и индикатор фазового изображения.A known method for measuring microobjects, in particular a surface profile, which is based on the study of the interference pattern obtained in a two-beam interferometer with a discrete change in the optical path difference [1]
A device that implements this method contains a light source, a two-beam interferometer, a coordinate-sensitive integrating photodetector, an electronic interference signal processing unit and a phase image indicator.
Недостатком, присущим этим способу, и устройству является сравнительно невысокая разрешающая способность, не превышающая классический предел, обусловленная как наличием различного рода шумов, так и самой методикой измерений, не позволяющей четко выделять границы фазовых неоднородностей. The disadvantage inherent in this method and the device is the relatively low resolution, not exceeding the classical limit, due to both the presence of various kinds of noise, and the measurement technique itself, which does not clearly distinguish the boundaries of phase inhomogeneities.
Эти недостатки, хотя и в меньшей степени, присущи также прототипу данного изобретения, описанному в [2]
Способ измерения микрообъектов согласно прототипу предусматривает построчное сканирование интерференционного изображения объекта, полученного в фазовом микроскопе с модуляцией фазы опорной волны.These disadvantages, although to a lesser extent, are also inherent in the prototype of the present invention described in [2]
The method of measuring microobjects according to the prototype provides for line-by-line scanning of the interference image of an object obtained in a phase microscope with modulation of the phase of the reference wave.
Устройство, реализующее способ прототип, содержит оптически связанные между собой источник когерентного излучения, двухлучевой интерферометр с колеблющемся зеркалом в опорном плече, обеспечивающим периодическую модулирующую функцию с участком линейной зависимости фазы от времени, и координатно-чувствительный фотоприемник, а также модулятор фазы опорной волны и узлы сканирования фотоприемника, измерения фазы рабочего сигнала, индикации и блок синхронизации работы этих узлов. A device that implements the prototype method contains a coherent radiation source optically coupled to each other, a two-beam interferometer with an oscillating mirror in the support arm, which provides a periodic modulating function with a linear phase-time dependence, and a coordinate-sensitive photodetector, as well as a phase modulator of the reference wave and nodes scanning the photodetector, measuring the phase of the working signal, indications and a synchronization unit for these units.
Технической задачей предложения является повышение разрешающей способности микроскопа и более точное определение положения границ фазовых неоднородностей, в частности, при расстоянии между ними, меньшем длины волны источника света, а также возможности одновременной регистрации динамических процессов в различных точках изображения микрообъекта. The technical task of the proposal is to increase the resolution of the microscope and more accurately determine the position of the boundaries of phase inhomogeneities, in particular, when the distance between them is less than the wavelength of the light source, as well as the possibility of simultaneous registration of dynamic processes at different points of the image of the micro-object.
Согласно изобретению это достигается тем, что модуляцию фазы опорной волны осуществляют так, что скорость изменения фазы (dΦ/dt) в процессе модуляции на участке линейной зависимости фазы от времени и период Т модулирующей функции удовлетворяют соотношению
где n 1, 2, 3, (1)
на выходе интерферометра получают динамическое интерференционное изображение объекта, которое проецируют на фотокатод координатно-чувствительного неинтегрирующего фотоприемника, рабочий сигнал с его выхода периодически прерывают, фильтруют на частоте и измеряют фазу рассеянной объектом волны в каждой точке изображения по одному мгновенному значению рабочего сигнала за период модуляции Т. Расположение границ микрообъектов определяют по измерениям фазы рабочего сигнала в точках с минимальной интенсивностью интерференционного поля.According to the invention, this is achieved in that the phase of the reference wave is modulated so that the phase change rate (dΦ / dt) during the modulation process in the region of the linear phase versus time and the period T of the modulating function satisfy the relation
where
at the output of the interferometer, a dynamic interference image of the object is obtained, which is projected onto the photocathode of a coordinate-sensitive non-integrating photodetector, the working signal from its output is periodically interrupted, filtered at a frequency and measure the phase of the wave scattered by the object at each image point according to one instantaneous value of the working signal for the modulation period T. The location of the boundaries of microobjects is determined by measuring the phase of the working signal at points with a minimum intensity of the interference field.
Способ отличается также тем, что осуществляют совмещение структурированной поверхности объекта с фокальной плоскостью измерительного объектива с использованием в качестве критерия максимального градиента фазы в процессе сканирования интерференционного поля. The method also differs in that the structured surface of the object is combined with the focal plane of the measuring lens using the maximum phase gradient during scanning of the interference field as a criterion.
Другое отличие способа состоит в том, что осуществляют сужение полосы пропускания фильтра и увеличение коэффициента усиления при уменьшении амплитуды интерференционного сигнала. Another difference of the method is that they narrow the filter bandwidth and increase the gain while reducing the amplitude of the interference signal.
Способ отличается также тем, что в изображении фиксируют m произвольно выбранных точек и затем циклически-периодически с заданным интервалом времени t производят в этих точках измерение фазы vi(t0+ pτ), где i 1,2,3,m - индексы координат точек, р 0,1,2.N, mτ длительность цикла, mNτ полное время измерений.The method also differs in that m randomly selected points are fixed in the image, and then cyclically periodically with a given time interval t, the phase v i (t 0 + pτ) is measured at these points, where i 1,2,3, m are the coordinate indices points, p 0,1,2.N, mτ cycle time, mNτ total measurement time.
Следующее отличие способа состоит в той, что осуществляют коррекцию фазы рабочего сигнала путем сравнения его фазы с усредненной фазой сигнала, получаемого при проецировании на одноэлементный фотоприемник всего или значительной части интерференционного изображения. The next difference between the method is that the phase of the working signal is corrected by comparing its phase with the average phase of the signal obtained when projecting onto a single-element photodetector all or a significant part of the interference image.
Соответственно предложенное устройство, реализующее данный способ, отличается от прототипа тем, что оно содержит блок прерывания сигнала, подключенный к выходу неинтегрирующего координатно-чувствительного фотоприемника, управляемый фильтр, подключенный входом к выходу блока прерывания рабочего сигнала, а выходом к одному из входов узла измерения фазы, при этом к второму входу узла измерения фазы, второму входу блока прерывания рабочего сигнала, приводу зеркала и узлу сканирования фотоприемника подключен блок синхронизации, выход которого подключен к первому входу индикатора, второй вход которого подключен к выходу узла измерения фазы. Accordingly, the proposed device that implements this method differs from the prototype in that it contains a signal interruption unit connected to the output of a non-integrating coordinate-sensitive photodetector, a controlled filter connected to the output of the interruption block of the working signal, and the output to one of the inputs of the phase measurement unit at the same time, to the second input of the phase measuring unit, the second input of the working signal interruption unit, the mirror drive and the photodetector scanning unit, the synchronization unit, the output of the cat cerned is connected to the first input of the indicator, the second input of which is connected to the output node of the phase measurement.
Другим отличием устройства является то, что оно снабжено средством регулирования полосы пропускания фильтра в зависимости от уровня сигнала, при этом выход узла прерывания рабочего сигнала соединен с входом фильтра через усилитель, второй вход которого соединен с другим выходом средства регулирования полосы пропускания фильтра. Another difference of the device is that it is equipped with a filter bandwidth control device depending on the signal level, while the output of the working signal interruption unit is connected to the filter input through an amplifier, the second input of which is connected to the other output of the filter bandwidth control device.
Другим отличием устройства является то, что оно имеет цепь контрольного сигнала, содержащую неинтегрирующий одноэлементный фотоприемник, на который проецируется все или значительная часть интерференционного изображения, узел прерывания сигнала и подключенный к нему фильтр контрольного сигнала, выход которого подключен к третьему входу узла измерения фазы. Another difference of the device is that it has a control signal circuit containing a non-integrating single-element photodetector, onto which all or a significant part of the interference image is projected, a signal interruption unit and a control signal filter connected to it, the output of which is connected to the third input of the phase measurement unit.
На фиг. 1 приводится блок-схема заявляемого устройства. In FIG. 1 is a block diagram of the inventive device.
На фиг. 2 показаны средства автоматического управления полосой фильтра и автоматической регулировки усиления рабочего сигнала. In FIG. 2 shows means for automatically controlling the filter band and automatically adjusting the gain of the working signal.
На фиг. 3 показана цепь контрольного сигнала. In FIG. 3 shows a pilot signal circuit.
На фиг. 4 приводится временная диаграмма фазы опорной волны, работы узлов прерывания рабочего и контрольного сигналов, фильтра и узла измерения фазы сигналов методом временных интервалов. In FIG. 4 is a timing diagram of the phase of the reference wave, the operation of the interrupt nodes of the working and control signals, the filter and the node measuring the phase of the signals by the method of time intervals.
В блок-схеме заявляемого устройства фазовый микроскоп содержит оптически связанные источник 1 когерентного излучения, двухлучевой интерферометр 2, например, по схеме Линника, координатно-чувствительный неинтегрирующий фотоприемник 3, модулятор 4 фазы опорной волны, обеспечивающий периодическую модуляцию с участком линейной зависимости фазы от времени, узел 5 сканирования фотоприемника, последовательно соединенные с выходом фотоприемника узел 6 прерывания и фильтр 7 рабочего сигнала, узел 8 измерения фазы и узел 9 индикации изображения, средство 10 синхронизации, которое управляет работой модулятора 4 и узла 5 сканирования, узла 6 прерывания, узла 8 измерения фазы и узла 9 индикации. In the block diagram of the inventive device, a phase microscope contains optically coupled coherent radiation source 1, a two-
В блок-схеме заявляемого устройства на фиг. 2 показано средство 11 автоматического управления полосой фильтра 7, средство 12 автоматической регулировки усиления рабочего сигнала. Вход средства 11 подключен к выходу фильтра 7 рабочего сигнала, его первый выход подсоединен к управляющему входу фильтра 7, а второй его выход к управляющему входу усилителя 12 автоматической регулировки усиления, первый вход которого подключен к выходу узла прерывания сигнала, а выход к первому входу фильтра 7. In the block diagram of the inventive device in FIG. 2 shows means 11 for automatically controlling the
В блок-схеме заявленного устройства на фиг. 3 показана цепь контрольного сигнала, состоящая из оптически связанного с интерферометром 2 неинтегрирующего фотоприемника 13 контрольного сигнала, выход которого связан с последовательно включенными узлом 14 прерывания и фильтром 15 опорного сигнала, выход которого связан с вторым управляющим входом узла 8 измерения фазы, а управляющий вход узла прерывания 14 соединен с блоком 10 синхронизации. In the block diagram of the claimed device in FIG. 3 shows a control signal circuit consisting of a control signal optically coupled to an
Измерения осуществляют следующим образом. Излучение лазера 1 поступает в интерферометр 2 и модулированное интерференционное изображение проецируется на фотокатод неинтегрирующего координатно-чувствительного фотоприемника 3. Сигнал с выхода фотоприемника последовательно проходит через узел 6 прерывания и фильтр 7 рабочего сигнала в узел 8 измерения фазы. Узел 5 сканирования координатно-чувствительного фотоприемника и модулятор 4 обеспечивают последовательное во времени измерение локальных значений фазы в каждой точке растра с координатами х,у. Накопленный за время измерений массив цифровых значений фазы отображается на дисплее узла 9 индикации. Блок 10 синхронизации обеспечивает согласованную работу узла 6 прерывания, узла 8 измерения фазы, модулятора 4, узла 5 сканирования и узла 9 индикации. При выполнении соотношения (1) рабочий сигнал на входе фильтра оказывается квазигармоническим со средней частотой и фильтр 7 подавляет шумы, лежащие вне его полосы.The measurements are as follows. Laser radiation 1 enters the
Скорость dΦ/dt изменения фазы в соотношении (1) устанавливают предпочтительно путем регулировки амплитуды колебаний опорного зеркала, а число n устанавливают из условия оптимальной величины временного интервала в узле 8 измерения фазы. The phase change rate dΦ / dt in relation (1) is preferably set by adjusting the amplitude of the oscillations of the reference mirror, and the number n is set from the condition of the optimal value of the time interval in the
На фиг. 2 показано заявляемое устройство с автоматическим управлением полосой фильтра 7, обеспечивающее уменьшение его полосы пропускания ΔF в точках растра с малой интенсивностью интерференционного сигнала. Средство 11 управления при снижении уровня сигнала до заданной величины уменьшает полосу фильтра 7 и увеличивает отношение сигнал/шум. Этой же цели служит усилитель 12 на входе фильтра 7, показанный схематически на фиг 2. Усилитель 12 может быть выполнен в виде традиционной схемы АРУ. In FIG. 2 shows the inventive device with automatic control of the
Для снижения влияния на точность измерений фазы внешних акустических воздействий в предлагаемом устройстве введена цепь контрольного сигнала, обеспечивающая компенсацию малых изменений оптической разности хода в интерферометре 2. Цепь контрольного сигнала на фиг 3 состоит из оптически связанного с интерферометром одноэлементного неинтегрирующего контрольного фотоприемника 13 и последовательно включенных узла 14 прерывания и фильтра 15, выход которого связан с управляющим входом узла 8 измерения фазы. To reduce the influence on the measurement accuracy of the phase of external acoustic influences, the proposed device has a control signal circuit that compensates for small changes in the optical path difference in the
Поясним работу устройства с цепью контрольного сигнала, показанного на фиг. 3, на примере метода временных интервалов. На фотоприемник 13 опорного сигнала проецируется все или существенная часть интерференционного изображения и с его выхода контрольный сигнал поступает через узел 14 прерывания и фильтр 15 на управляющий вход узла 8 измерения фазы. В узле 8 формируется за каждый период модуляции контрольный временной интервал τк, пропорциональный фазе Φк, усредненной по всему изображению или его части. В узле измерения фазы 8 образуется разностный временной интервал, который в оцифрованном виде поступает в узел индикации изображения 9.Let us explain the operation of the device with the pilot signal circuit shown in FIG. 3, by the example of the method of time intervals. All or a substantial part of the interference image is projected onto the
На фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу фильтров 7, 15, узлов прерывания сигнала 6, 14 и узла 8 измерения фазы. In FIG. 4 is a timing chart explaining the operation of the
Периодическое изменение фазы опорной волны интерферометра Φ(t) с линейным участком длительностью T1 в течение периода Т модуляции показано на фиг. 4а. Фототок Ip (t) на выходе координатно-чувствительного неинтегрирующего фотоприемника 3 в фиксированной точке х,у растра имеет вид, показанный на фиг. 4б. Узел прерывания 6 в течение строба длительностью Т2 передает рабочий сигнал на фильтр 7, в котором возбуждаются квазигармонические затухающие колебания с частотой и начальной фазой vp(x,y), определяемой фазой рабочего сигнала Ip (t) с выхода фотоприемника. Форма рабочего сигнала на выходе фильтра показана на фиг. 4г. Контрольный сигнал на выходе фотоприемника 13 и фильтра 15 показан на фиг. 4 в,д. На фиг 4е,ж,з показаны соответственно рабочий τp(x,y), контрольный τк временные интервалы, а также разностный временной интервал τ(x,y) в узле измерения фазы.A periodic change in the phase of the reference wave of the interferometer Φ (t) with a linear portion of duration T 1 during the modulation period T is shown in FIG. 4a. The photocurrent I p (t) at the output of the coordinate-
Точки 1,2 на фиг. 4г,д показывают соответственно моменты формирования задних фронтов временных интервалов.
В предлагаемом способе в качестве критерия точного совмещения структурированной поверхности объекта с фокальной плоскостью измерительного объектива используют максимум градиента фазы, который в отличие от максимума интенсивности отраженной волны является более адекватным критерием контраста фазового изображения. In the proposed method, as a criterion for the exact combination of the structured surface of the object with the focal plane of the measuring lens, the maximum of the phase gradient is used, which, in contrast to the maximum intensity of the reflected wave, is a more adequate criterion for the contrast of the phase image.
В предлагаемом способе производят одновременно регистрацию динамических процессов в различных точках изображения путем циклически-периодического изменения координат точек с помощью узла 5 сканирования. Информация о динамическом процессе в i-ой точке в виде графиков, корреляционных функций и Фурье-спектров содержится в последовательности значений Φi(t0 + pτ), получаемых на выходе узла 8 измерения фазы.In the proposed method, dynamic processes are simultaneously recorded at various points of the image by cyclically periodic changes in the coordinates of the points using the
Описанные выше способ и устройство были реализованы в фазовом микроскопе, содержащем модифицированный интерферометр Линника МИИ-4, гелий-неоновый лазер, диссектор, а также стандартные схемотехнические решения для узлов развертки, прерывания, фильтра, измерения фазы и блока синхронизации, используемые в телевизионной технике, синхронных детекторах и частотомерах. Матобеспечение позволило управлять работой микроскопа и отображать информацию на дисплее компьютера IBM PC 386. The method and device described above were implemented in a phase microscope containing a modified Linnik MII-4 interferometer, a helium-neon laser, a dissector, as well as standard circuitry solutions for scan, interrupt, filter, phase and synchronization units used in television technology, synchronous detectors and frequency meters. Software enabled to control the operation of the microscope and display information on the display of the IBM PC 386 computer.
Возможность получения указанного технического результата увеличения пространственного разрешения микроскопа по сравнению с классическим пределом была подтверждена прямыми измерениями [3] Так, на компьютерном фазовом микроскопе "Эйрискан" с λ = 0,63 мкм и классическим пределом разрешения D 0,43 мкм для объектива 100х/0,9 были получены фазовые изображения щелей шириной до 0,1 мкм. ЫЫЫ2 The possibility of obtaining the indicated technical result of increasing the spatial resolution of the microscope in comparison with the classical limit was confirmed by direct measurements [3] Thus, on an Airiskan computer phase microscope with λ = 0.63 μm and a classical resolution limit of D 0.43 μm for a 100x / lens 0.9 phase images of slits up to 0.1 μm wide were obtained. YYY2
Claims (8)
где n 1, 2, 3.1. The method of measuring the structure and dynamics of microobjects by obtaining an interference image of an object in a phase microscope with modulation of the phase of the reference wave, characterized in that the modulation is carried out so that the rate of change of phase the reference wave in the process of modulation on the plot of the linear phase-time dependence and the period T of the modulating function satisfy the relation
where n 1, 2, 3.
при этом расположение границ микрообъектов определяют по результатам измерения вазы рабочего сигнала в точках с минимальной интенсивностью интерференционного поля, динамические процессы регистрируют по изменению фазы во времени, а фазу рабочего сигнала измеряют по одному мгновенному значению рабочего сигнала за период модуляции Т.interrupt the working signal and filter it at a frequency
the location of the boundaries of the micro-objects is determined by measuring the vase of the working signal at points with a minimum intensity of the interference field, dynamic processes are recorded by the phase change in time, and the phase of the working signal is measured by one instantaneous value of the working signal for the modulation period T.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94013184A RU2062445C1 (en) | 1994-04-13 | 1994-04-13 | Process of measurement of structure and dynamics of microobjects and device for its implementation |
PCT/RU1994/000113 WO1994028373A1 (en) | 1993-05-28 | 1994-05-27 | Method of measuring micro-objects and device therefor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94013184A RU2062445C1 (en) | 1994-04-13 | 1994-04-13 | Process of measurement of structure and dynamics of microobjects and device for its implementation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU94013184A RU94013184A (en) | 1995-12-10 |
RU2062445C1 true RU2062445C1 (en) | 1996-06-20 |
Family
ID=20154738
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU94013184A RU2062445C1 (en) | 1993-05-28 | 1994-04-13 | Process of measurement of structure and dynamics of microobjects and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2062445C1 (en) |
-
1994
- 1994-04-13 RU RU94013184A patent/RU2062445C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. Патент США N 4732438, кл. G 01 Ь 9/02, /356/351/ опубл. 1989. 2. Tychinsky V. P., Masalov I. N., Pankov V. L., Ublinsky D. V. Computerized Phase Microscope for investigation of submicron Structures. Opt. Comm. 14, 1-2, 37-40, 1989. З. Tychinsky A Phase laztr microscope with factor of teu enhhhhhanced resolution over classical limit. Proc. SPIE Conferenct PhC/DIC Microscopy ( Warsaw, oct, 1992), v. 1846, 1993. 1846. 1993. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6556305B1 (en) | Pulsed source scanning interferometer | |
US4139304A (en) | Methods and apparatus for measuring variations in distance to a surface | |
DE69328762D1 (en) | Time-resolved optical sensor arrays and CCD cameras for frequency domain fluorimetry and / or phosphorimetry | |
US4813782A (en) | Method and apparatus for measuring the floating amount of the magnetic head | |
GB1493967A (en) | Method of and apparatus for measuring the width of an elongated element | |
US4934810A (en) | Method and apparatus for controlling the quantity of emitted light in an optical measuring head | |
RU2062445C1 (en) | Process of measurement of structure and dynamics of microobjects and device for its implementation | |
GB1521351A (en) | Methods and apparatus for measuring variations in distance to a surface | |
JP2847289B2 (en) | Distance shape measuring device | |
HU203595B (en) | Process and apparatus for contactless definition of diameter of thin wires | |
JPS5459166A (en) | Visual sensibility measuring apparatus of interferometer | |
RU2092787C1 (en) | Method determining short distances to diffusion-reflecting objects and gear for its realization | |
JP2993836B2 (en) | Interferometer using coherence degree | |
EP0235941B1 (en) | Surface measurement | |
JPS6371675A (en) | Laser distance measuring instrument | |
JP3183477B2 (en) | Two-dimensional phase information detection device | |
JPS63127106A (en) | Method for measuring three-dimensional shape | |
SU1357701A1 (en) | Diffraction method of measuring linear dimensions of article and device for effecting same | |
RU2025673C1 (en) | Method to measure image illumination intensity | |
SU1571508A1 (en) | Apparatus for measuring the speed of movement of an object | |
RU1711554C (en) | Device for measuring the surface relief | |
SU1404812A1 (en) | Method of measuring distance sections | |
SU354346A1 (en) | METHOD OF MEASURING THE SPEED OF MOTION OF AN EXTENDED OBJECT | |
RU1818528C (en) | Method for measuring angular velocity by means of fiber-optical gyroscope | |
JPS58100572A (en) | Laser recorder |