RU2495372C1

RU2495372C1 - Apparatus for obtaining image of microrelief of object

Info

Publication number: RU2495372C1
Application number: RU2012110785/28A
Authority: RU
Inventors: Павел Альбертович Осипов; Константин Васильевич Индукаев; Лев Семенович Кольнер
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатории Амфора"
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-10-10
Also published as: RU2012110785A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: apparatus has a platform on which an object is placed and which is capable of moving on two main and one additional aerostatic bearings along a first horizontal axis, and a portal on which a phase-contrast microscope is mounted and which is capable of moving on two main and one additional aerostatic bearings along a second horizontal axis, perpendicular to the first horizontal axis. All aerostatic bearings are connected to a common pneumatic system, and the microscope is configured to obtain a fringe pattern through time intervals equal to the period of pressure fluctuation in the common pneumatic system.

EFFECT: providing high accuracy of the image of a microrelief of the surface of an object with mutual displacement of the microscope and the object.

2 dwg

Description

Изобретение относится к интерференционной оптике и может быть использовано для получения изображения микрорельефа объекта, имеющего большую площадь поверхности.The invention relates to interference optics and can be used to obtain an image of a microrelief of an object having a large surface area.

Из публикации JP 2001059714 A, G01B 9/02, 06.03.2001 известно устройство для исследования поверхности объекта, представляющее собой, по сути, микроскоп, в котором изображение микрорельефа объекта моделируют в результате интерпретации фазового портрета объекта, полученного интерференционным методом. Данное устройство выбрано в качестве прототипа изобретения.From the publication JP 2001059714 A, G01B 9/02, March 6, 2001, a device for studying the surface of an object is known, which is, in fact, a microscope in which the image of the microrelief of an object is modeled as a result of interpretation of the phase portrait of an object obtained by the interference method. This device is selected as a prototype of the invention.

Интерференционный метод получения фазового портрета объекта, реализованный в прототипе, заключается в использовании когерентного монохроматического пучка света, который разделяют на два пучка, один из которых направляют к исследуемому объекту, а другой - к фазовому модулятору, выполненному в виде плоского зеркала (далее - опорное зеркало). Первый пучок (далее - объектный пучок), отражаясь от объекта, получает информацию об объекте в виде смещения фазы по сечению пучка, которое обусловлено различной длиной оптического пути волн вследствие изменяющегося по площади объекта рельефа. Второй пучок (далее - опорный пучок) отражается от опорного зеркала и имеет неизменную фазу по сечению пучка. Оба пучка направляются на экран фотоприемника, где они образуют интерференционную картину (далее - интерферограмму).The interference method for obtaining a phase portrait of an object, implemented in the prototype, consists in using a coherent monochromatic beam of light, which is divided into two beams, one of which is directed to the object under study, and the other to the phase modulator, made in the form of a flat mirror (hereinafter - reference mirror ) The first beam (hereinafter referred to as the object beam), being reflected from the object, receives information about the object in the form of a phase shift along the beam cross section, which is caused by different wavelengths of the optical path due to the relief changing over the area of the object. The second beam (hereinafter referred to as the reference beam) is reflected from the reference mirror and has an unchanged phase along the beam cross section. Both beams are directed to the screen of the photodetector, where they form an interference pattern (hereinafter - the interferogram).

Для получения фазового портрета объекта необходимо вычислить фазу объектного пучка на каждом пикселе экрана фотоприемника. Общеизвестным считается способ определения фазы объектного пучка, при котором требуются минимум три интерферограммы, позволяющие определить освещенность каждого пикселя и полученные при различных значениях разности фаз объектного и опорного пучков.To obtain a phase portrait of an object, it is necessary to calculate the phase of the object beam at each pixel of the photodetector screen. A well-known method is the determination of the phase of the object beam, which requires at least three interferograms to determine the illumination of each pixel and obtained for different values of the phase difference of the object and reference beams.

Требуемое изменение разности фаз получают сдвигом фазы опорного пучка, который осуществляют путем изменения длины оптического пути опорного пучка при перемещении опорного зеркала.The required change in the phase difference is obtained by phase shift of the reference beam, which is carried out by changing the optical path length of the reference beam when moving the reference mirror.

Однако прототип не оснащен средствами взаимного позиционирования объектива микроскопа и объекта наблюдения. При этом на практике нередко встречаются задачи, связанные с необходимостью получения изображения микрорельефа нескольких удаленных друг от друга участков поверхности объекта большой площади.However, the prototype is not equipped with means for mutual positioning of the microscope objective and the object of observation. At the same time, in practice, there are often problems associated with the need to obtain an image of a microrelief of several parts of the surface of a large object that are remote from each other.

Задачей изобретения является предложение решения, позволяющего исследовать микрорельеф объекта, имеющего большую площадь поверхности.The objective of the invention is to propose a solution to explore the microrelief of an object having a large surface area.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для получения изображения микрорельефа объекта, включающее платформу, на которой расположен объект, и портал, на котором установлен фазовый микроскоп. Платформа способна перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль первой горизонтальной оси, а портал способен перемещаться на двух основных и одной дополнительной аэростатических опорах вдоль второй горизонтальной оси, перпендикулярной первой горизонтальной оси. При этом все аэростатические опоры подключены к общей пневматической системе, а микроскоп выполнен с возможностью получения интерферограмм через интервалы времени, равные периоду колебаний давления в общей пневматической системе.To solve this problem, a device is proposed for obtaining an image of the microrelief of an object, including a platform on which the object is located, and a portal on which a phase microscope is installed. The platform is able to move on two main and one additional aerostatic supports along the first horizontal axis, and the portal is able to move on two main and one additional aerostatic supports along the second horizontal axis, perpendicular to the first horizontal axis. Moreover, all aerostatic supports are connected to a common pneumatic system, and the microscope is made with the possibility of obtaining interferograms at time intervals equal to the period of pressure fluctuations in the general pneumatic system.

Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:The implementation of the invention will be explained with reference to the figures:

фиг.1 - микроскоп, используемый в предложенном устройстве;figure 1 is a microscope used in the proposed device;

фиг.2 - предложенное устройство для получения изображения микрорельефа объекта.figure 2 - the proposed device for obtaining images of the microrelief of the object.

Используемый в предложенном устройстве фазовый микроскоп (фиг.1) содержит источник когерентного света - лазер 1. Светоделитель 3, размещенный на оси лазерного пучка после поляризационного элемента 2, делит исходный пучок света 4 на два пучка - объектный 5 и опорный 6. Объектный пучок через объектив 7 направляется к объекту 8 и, отражаясь от него, попадает на светоделитель 3, через который проходит, сохраняя направление. Опорный пучок направляется на фазовый модулятор 9, который выполнен в виде опорного зеркала 10, оснащенного пьезоприводом. Отражаясь от опорного зеркала, опорный пучок меняет направление на светоделителе 3 и совместно с объектным пучком через линзу 11 и поляризационный анализатор 12 попадает на экран фотоприемника 13, где оба луча образуют интерферограмму. При перемещении опорного зеркала вдоль оптического пути опорного пучка происходит сдвиг фазы опорного пучка, вследствие чего интерферограмма меняет вид, т.е. изменяется освещенность пикселей экрана фотоприемника.The phase microscope used in the proposed device (Fig. 1) contains a coherent light source - laser 1. A beam splitter 3, placed on the axis of the laser beam after the polarizing element 2, divides the initial light beam 4 into two beams - object 5 and reference 6. The object beam through the lens 7 is directed to the object 8 and, reflected from it, falls on the beam splitter 3, through which it passes, keeping the direction. The reference beam is directed to a phase modulator 9, which is made in the form of a reference mirror 10, equipped with a piezo drive. Reflecting from the reference mirror, the reference beam changes direction on the beam splitter 3 and, together with the object beam, passes through the lens 11 and the polarization analyzer 12 onto the screen of the photodetector 13, where both beams form an interferogram. When the reference mirror moves along the optical path of the reference beam, a phase shift of the reference beam occurs, as a result of which the interferogram changes shape, i.e. The brightness of the pixels of the photodetector screen changes.

Информация с фотоприемника 13 поступает в компьютер 14, который через генератор напряжения 15 соединен с фазовым модулятором 9. Компьютер на основании трех интерферограмм получает фазовый портрет объекта, а далее моделирует изображение микрорельефа объекта. В контексте настоящего изобретения важным является следующий факт: формирование фазового портрета участка поверхности объекта и его конечного изображения производится на основании интерферограмм, полученных в различные моменты времени.Information from the photodetector 13 enters the computer 14, which is connected to the phase modulator 9 through the voltage generator 15. The computer obtains a phase portrait of the object based on three interferograms, and then models the image of the microrelief of the object. In the context of the present invention, the following fact is important: the formation of a phase portrait of the surface area of the object and its final image is based on interferograms obtained at various points in time.

В предложенном устройстве для получения изображения микрорельефа объекта описанный выше микроскоп, обозначенный на фиг.2 позицией 16, расположен на портале 17, в то время как наблюдаемый объект 18 расположен на платформе 19. Для осуществления взаимного позиционирования микроскопа и объекта портал и платформа способны перемещаться относительно друг друга вдоль взаимно перпендикулярных горизонтальных осей. Ось, вдоль которой перемещается платформа, условно названа первой горизонтальной осью (на фиг.2 - ось X), а ось, вдоль которой перемещается портал - второй горизонтальной осью (на фиг.2 - ось Y).In the proposed device for acquiring an image of the microrelief of an object, the above-described microscope, designated 16 in FIG. 2, is located on the portal 17, while the observed object 18 is located on the platform 19. To implement the relative positioning of the microscope and the object, the portal and the platform can move relative to each other along mutually perpendicular horizontal axes. The axis along which the platform moves is conventionally called the first horizontal axis (in Fig.2 - the X axis), and the axis along which the portal moves is the second horizontal axis (in Fig.2 - the Y axis).

Платформа и портал, являющиеся подвижными элементами, установлены на неподвижном элементе - основании 20 - на аэростатических опорах.The platform and the portal, which are movable elements, are mounted on a fixed element - the base 20 - on aerostatic supports.

Аэростатическая опора в общем случае включает направляющую, закрепленную на неподвижном в выбранной системе координат элементе, и имеющую магнитную связь с танкеткой, соединенной с подвижным элементом или выполненной с ним заодно. Танкетка снабжена каналами для подачи воздуха к направляющей, при этом давлением подаваемого из танкетки воздуха создается зазор между направляющей и танкеткой. Использование аэростатических опор позволяет исключить трение между подвижными и неподвижными элементами, тем самым предотвратить износ и повысить точность позиционирования подвижного элемента в направлении перемещения.An aerostatic support in the general case includes a guide fixed to an element fixed in the selected coordinate system and magnetically coupled with a wedge connected to or connected to the movable element. The wedge is equipped with channels for supplying air to the guide, while the pressure supplied from the wedge of air creates a gap between the guide and the wedge. The use of aerostatic supports eliminates friction between moving and stationary elements, thereby preventing wear and increasing the accuracy of positioning of the moving element in the direction of movement.

Под направлением усилия, создаваемого аэростатической опорой, понимается направление от направляющей, являющейся неподвижной в выбранной системе координат, в данном случае - связанной с основанием, к танкетке.By the direction of the force created by the aerostatic support, we mean the direction from the guide, which is stationary in the selected coordinate system, in this case, connected with the base, to the wedge.

Основные аэростатические опоры платформы и портала, обозначенные соответственно позициями 21 и 22, создают усилия в вертикальном направлении. Дополнительные аэростатические опоры платформы и портала 23 и 24 создают усилия вдоль соответственно второй и первой горизонтальных осей и обеспечивают перемещение указанных элементов строго вдоль соответственно первой и второй горизонтальных осей. Направляющие основных и дополнительных опор закреплены на основании, а танкетки связаны с платформой и порталом. Для надежного удержания платформы и портала на основании целесообразно использовать по две основные и одну дополнительную аэростатические опоры на каждый указанный подвижный элемент.The main aerostatic bearings of the platform and portal, indicated by 21 and 22, respectively, create forces in the vertical direction. Additional aerostatic supports of the platform and portal 23 and 24 create forces along the second and first horizontal axes respectively and ensure the movement of these elements strictly along the first and second horizontal axes respectively. The guides of the main and additional supports are fixed on the base, and the wedges are connected with the platform and the portal. For reliable retention of the platform and the portal on the basis, it is advisable to use two main and one additional aerostatic support for each specified movable element.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает возможность взаимного перемещения микроскопа и объекта, что позволяет получать изображение поверхности различных участков объекта.Thus, the proposed device provides the possibility of mutual movement of the microscope and the object, which allows you to obtain a surface image of various sections of the object.

Пневматическим системам, используемым совместно с аэростатическими опорами, свойственны колебания давления, обусловленные главным образом ступенчатым характером работы нагнетающих элементов их компрессоров - крыльчаток или поршней - и характеризующиеся постоянным периодом.Pneumatic systems used in conjunction with aerostatic bearings are characterized by pressure fluctuations, caused mainly by the stepwise nature of the operation of the discharge elements of their compressors - impellers or pistons - and characterized by a constant period.

Колебания давления приводят к непостоянству воздушного зазора в аэростатических опорах, вследствие чего возникают неточности позиционирования микроскопа и объекта в направлении усилия аэростатических опор. Поскольку, как указывалось выше, получение трех интерферограмм является разнесенным во времени, то взаимное смещение микроскопа и объекта вносит существенную погрешность в формирование фазового портрета и, в конечном счете, изображения микрорельефа поверхности.Pressure fluctuations lead to inconsistency of the air gap in the aerostatic bearings, which results in inaccuracies in the positioning of the microscope and the object in the direction of the force of the aerostatic bearings. Since, as mentioned above, the acquisition of three interferograms is spaced in time, the mutual displacement of the microscope and the object introduces a significant error in the formation of the phase portrait and, ultimately, the image of the surface microrelief.

Для решения этой проблемы в устройстве реализован способ автокомпенсации перепадов давления.To solve this problem, the device implements a method of automatic compensation of pressure drops.

Основные аэростатические опоры 21 и 22, создающие усилие в вертикальном направлении и на которых установлены платформа и портал, также как и дополнительные опоры 23 и 24, присоединены к общей пневматической системе. Под общей пневматической системой понимается пневматическая система, имеющая общий источник давления для всех аэростатических опор платформы и портала.The main aerostatic bearings 21 and 22, which create a force in the vertical direction and on which the platform and the portal are installed, as well as additional supports 23 and 24, are connected to a common pneumatic system. A common pneumatic system is understood to mean a pneumatic system having a common pressure source for all aerostatic bearings of the platform and portal.

При возникновении перепада давления и вызванного этим изменения воздушного зазора в основной аэростатической опоре платформы происходит также изменение воздушного зазора в основной аэростатической опоре портала. Таким образом, вертикальное смещение расположенного на платформе объекта относительно микроскопа, расположенного на портале, компенсируется таким же по величине и направлению вертикальным смещением микроскопа относительно объекта, вследствие чего не возникает погрешности взаимного позиционирования микроскопа и объекта в вертикальном направлении.In the event of a pressure drop and the resulting change in the air gap in the main aerostatic support of the platform, the air gap in the main aerostatic support of the portal also changes. Thus, the vertical displacement of the object located on the platform relative to the microscope located on the portal is compensated by the same magnitude and direction of the vertical displacement of the microscope relative to the object, as a result of which there is no error in the mutual positioning of the microscope and the object in the vertical direction.

Изложенный выше принцип автокомпенсации давления позволяет существенно повысить качество получаемых изображений, так как в целом обеспечивает неизменность длины вертикальной проекции хода лазерного пучка между микроскопом и объектом. Как было показано выше, такая неизменность указанного расстояния необходима вследствие того, что получение трех интерферограмм осуществляется в разные моменты времени.The principle of pressure compensation described above makes it possible to significantly improve the quality of the images obtained, since in general it ensures the invariance of the vertical projection length of the laser beam between the microscope and the object. As shown above, such a constant distance is necessary due to the fact that three interferograms are obtained at different points in time.

Однако горизонтальные смещения платформы и портала, вызванные изменением величины зазора в дополнительных аэростатических опорах по причине колебания давления в пневматической системе, не могут компенсировать друг друга, поскольку происходят во взаимно перпендикулярных направлениях. Для решения данной проблемы согласно заявленному изобретению микроскоп выполнен с возможностью получения интерферограмм через интервалы времени, равные периоду колебаний в общей пневматической системе. Действительно, несмотря на то, что платформа и портал колеблются вдоль соответственно второй и первой горизонтальных осей, через интервалы времени, равные периоду колебаний давления в пневматической системе, они оказываются в одном и том же положении.However, the horizontal displacements of the platform and the portal, caused by a change in the gap in the additional aerostatic bearings due to pressure fluctuations in the pneumatic system, cannot compensate each other, since they occur in mutually perpendicular directions. To solve this problem, according to the claimed invention, the microscope is configured to obtain interferograms at time intervals equal to the oscillation period in the general pneumatic system. Indeed, despite the fact that the platform and the portal oscillate along the second and first horizontal axes, at intervals equal to the period of pressure fluctuations in the pneumatic system, they are in the same position.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить несколько разнесенных во времени интерферограмм при минимальном отклонении от заданного положения микроскопа и объекта. Указанный технический результат обеспечивает высокую точность изображения микрорельефа поверхности объекта при реализации возможности взаимного перемещения микроскопа и объекта.Thus, the claimed invention allows to obtain several spaced apart in time interferograms with minimal deviation from a given position of the microscope and the object. The specified technical result provides high accuracy of the image of the microrelief of the surface of the object while realizing the possibility of mutual movement of the microscope and the object.

Claims

A device for acquiring an image of the microrelief of an object, including a platform on which the object is located and which is capable of moving on two main and one additional aerostatic bearings along the first horizontal axis, and a portal on which a phase microscope is installed and which is able to move on two main and one additional aerostatic bearings along the second horizontal axis perpendicular to the first horizontal axis, while all aerostatic bearings are connected to a common pneumatic system e, and the microscope is made with the possibility of obtaining interferograms at time intervals equal to the period of pressure fluctuations in the general pneumatic system.