SU1302141A1

SU1302141A1 - Method for measuring height of microirregularities of rough surface and device for effecting same

Info

Publication number: SU1302141A1
Application number: SU853881509A
Authority: SU
Inventors: Олег Вячеславович Ангельский; Петр Петрович Максимяк
Original assignee: Черновицкий Государственный Университет
Priority date: 1985-04-10
Filing date: 1985-04-10
Publication date: 1987-04-07

Abstract

Изобретение позвол ет проводить измерение высоты микронеровностей, i шероховатой поверхности. Целью изобретени вл етс повьппение точности измерени за счет определени контролируемого параметра по изменению азимута линейной пол ризации между эталонной и контролируемой поверхност ми . Монохроматически линейно пол ризованный пучок излучени от источника 1 преобразуют в эллиптически пол ризованный с помощью пластинки 71/4, который пространственно дел т светоделителем 3 на два пучка; опорный и информационный. Линейно пол (Л СThe invention allows the measurement of the height of asperities, i of a rough surface. The aim of the invention is to increase the measurement accuracy by determining the monitored parameter by changing the azimuth of the linear polarization between the reference and the monitored surfaces. A monochromatically linearly polarized radiation beam from source 1 is converted into an elliptically polarized 71/4 plate, which is spatially divided by the beam splitter 3 into two beams; reference and informational. Linearly floor (ls

Description

ризуют пучки пол ризаторами А и 5 во взаимно перпендикул рных плоскост х. Информационный пучок вновь дел т пополам вторым светоделителем 6, разделенные пучки направл ют на контролируемую поверхность 17, один нормально , а другой наклонно к ней, Све- товозвращают оба информационных пучка по тому же направлению. Выдел ют зеркальную составл ющую информационных и опорного пучков с помощью диафрагмы 12 Эйри, расположенной в фокальной плоскости сопр женных обьек- тивов 10 и 11. Второй четвертьволновой пластинкой 13, ориентированной диагонально по отношению к направлени м колебаний опорного и информационного лучей, преобразуют их в два циркул рно пол ризованных луча по двум взаимно противоположным направлени м . Выравнивание амплитуд линей1Beams are polarized by polarizers A and 5 in mutually perpendicular planes. The information beam is again divided in half by the second beam splitter 6, the separated beams are directed onto the test surface 17, one normally and the other obliquely towards it, Reflecting both information beams in the same direction. The mirror component of the information and reference beams is extracted using the 12 Airy diaphragm located in the focal plane of the conjugate lenses 10 and 11. The second quarter-wave plate 13, which is diagonally oriented with respect to the directions of oscillation of the reference and information rays, will convert them into two circularly polarized beams in two mutually opposite directions. Amplitude Alignment Line1

Изобретение относитс к измеритель ной технике и может быть использовано дл измерени высоты микронеровностей шероховатой поверхности в ма- иино- И приборостроении,The invention relates to a measuring technique and can be used to measure the height of the asperities of a rough surface in maine- and instrument making,

Цель изобретени - повьш1ение точности измерени за счет определени изменени азимута линейной пол ризации при нормальном и наклонном падении пучка излучен и на нее, The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy by determining the change in the azimuth of the linear polarization with the normal and oblique incidence of the beam radiated to it,

На фиг, 1 представлена принципиальна схема устройстваJ на фиг, 2 - схема, по сн юща возникновение разности хода при нормальном и наклонном падении информационного пучка на контролируемую поверхность,Fig. 1 is a schematic diagram of the deviceJ in Fig. 2, a diagram explaining the occurrence of a path difference with a normal and oblique incidence of an information beam on a monitored surface.

Устройство содержит источник 1 монохроматического линейно пол ризованного излучени , первую четвертьволновую пластинку 2, светоделитель 3 двухлучевого интерферометра, два пол ризатора 4, 5, один из которых расположен в опорной, а другой - в информационной ветви интерферометра, второй светоделитель 6, расположен- ный в информационной ветви, образцовое зеркало 7 опорной ветви, два зеркала 8 и 9 в информационной ветви, пространственный фильтр, включающийThe device contains a source of monochromatic linearly polarized radiation, the first quarter-wave plate 2, the beam splitter 3 of a two-beam interferometer, two polarizers 4, 5, one of which is located in the reference one and the other in the information branch of the interferometer, the second beam splitter 6 located in information branch, exemplary mirror 7 support branch, two mirrors 8 and 9 in the information branch, spatial filter, including

но пол ризованных опорного и информационного пучков осуществл ют поворотом первой четвертьволновой пластинки вокруг оптической оси устройства. Осуществл ют последовательное сложение циркул рно пол ризованного опорного пучка с каждым из двух информационных пучков, определ азимут линейной пол ризации взаимодействующих пучков анализатором 15 дл эталонной и контролируемой поверхностей, и о величине микронеровностей шероховатой поверхности суд т по следующей зависимости: Ь„ i/4 ir(o6 - oig ), где Л - рабоча длина волны источника измерени ; oiji - азимут линейной пол ризации опорного и информационного пучков при нормальном его падении на эталонную поверхность ci - то же при падении на контролируемую поверхность , 2 с.п, ф-лы, 2 ил.but the polarized reference and information beams are made by rotating the first quarter-wave plate around the optical axis of the device. A circular polarized reference beam is sequentially added to each of the two information beams, the azimuth of the linear polarization of the interacting beams is determined by the analyzer 15 for the reference and controlled surfaces, and the roughness of the rough surface is measured using the following relationship: (o6 - oig), where L is the working wavelength of the measurement source; oiji - azimuth of the linear polarization of the reference and information beams with its normal fall on the reference surface; ci - the same when falling on the controlled surface, 2 sp., f-crystals, 2 ill.

два объектива 10 и 11, фокусы которых совпадают и в фокальной плоскости которых расположена диафрагма 12 Эйри, вторую четвертьволновую пластинку 13, модул тор 14 Фараде , анализатор 15 и фотоэлектрический блок 16two lenses 10 and 11, the foci of which coincide and in the focal plane of which is the 12 Airy diaphragm, the second quarter-wave plate 13, the Farada modulator 14, the analyzer 15 and the photovoltaic unit 16

На чертеже также показана контролируема поверхность 17,The drawing also shows a controlled surface 17,

На фиг. 2 показана условна плоскость , совпад;1юща со средним уровнем вершин микронеровностей поверхности 18, и условна плоскость 19, совпадающа по локализации со среднеарифметическим профилем шероховатой поверхности . Позици ми 20-23 обозначены лучи наклонного пучка, а позици ми 24-27 - лучи нормально падающего луча.FIG. Figure 2 shows a conditional plane that coincides; 1 is in communication with the average level of the peaks of the asperities of the surface 18, and conditional plane 19, which coincides in localization with the arithmetic mean profile of the rough surface. Positions 20-23 denote the rays of an inclined beam, and positions 24-27 denote the rays of a normally incident beam.

Плоскости пропускани пол ризаторов расположены в ортогональных плоскост х .The transmission planes of the polarizers are located in orthogonal planes.

Устройство,, реализующее способ, работает следзпошдм образом.The device, which implements the method, works in a manner that follows.

Монохроматический линейно пол ризованный пучок от источника 1, например лазера, посыпают на четвертьволновую пластинку 2, преобразуют его в эллиптически пол ризованный, светоделитель 3 делит пучок на два - опорныйA monochromatic linearly polarized beam from a source 1, for example a laser, is sprinkled onto a quarter-wave plate 2, converted into an elliptically polarized one, the beam splitter 3 divides the beam into two - reference

и информационный. Каждый из разделенных пучков пропускают через один из двух пол ризаторов 4 и 5, которые линейно пол ризуют разделенные пучки излучени во взаимно перпендикул рных плоскост х.and informational. Each of the separated beams is passed through one of two polarizers 4 and 5, which linearly polarize the separated beams of radiation in mutually perpendicular planes.

Опорный пучок, пройд пол ризатор 4, отражаетс от образцовой поверхности зеркала 7 и возвращаетс на светоделитель 3. Информационный пучок , прошедший пол ризатор 5, дел т пополам с помощью светоделител 6, один из разделенных пучков направл ют посредством зеркала 9 нормальноThe reference beam, passed through polarizer 4, is reflected from the exemplary surface of mirror 7 and returns to beam splitter 3. The information beam passed through polarizer 5 is divided in half by means of a beam splitter 6, one of the separated beams is guided by a mirror 9 normally

на контролируемук) поверхность, а дру-|5 Нормально падающий на объект 17 пучок гой - наклонно на нее. Пучок, нак-перекрываетс , вращением четвертьволлонно падающий на контролируемую поверхность , с помощью зеркала 8 све- товозвращают по тому же пути. Оба разделенных информационных пучков в обратном ходе от контролируемой поверхности проход т второй светоделитель 6, линейный пол ризатор 5 и светоделитель 3. Направл ют информационные и опорные пучки на светоделитель 3 .on the surface of the controller, and on the other - a beam of goi normally incident on the object 17 is inclined on it. The beam, nak-overlapped, by the rotation of a quarter-wave falling on a controlled surface, using a mirror 8, returns the light back along the same path. Both separated information beams pass a second beam splitter 6, a linear polarizer 5 and a beam splitter 3 from the test surface. They send information and reference beams to the beam splitter 3.

Два объектива 10 и 11 вьщел ют зеркальную составл ющую. В результате фильтрации смешиваютс однородные опорна и информационна составл ющие . Четвертьволнова пластинка 13 преобразует взаимно ортогональные лин ейные пол ризации составл ющих информационных и опорного каналов возультате суперпозиции опорного и наквзаимно ортогональные циркул ционные , лонного информационного пучков. Если пол ризации. Суперпозици взаимнор 5 то подстройкой образца 17 доортогонально пол ризованных волн опорной и любой из информационныхTwo lenses 10 and 11 are provided with a mirror component. As a result of filtering, uniform reference and information components are mixed. The quarter-wave plate 13 transforms the mutually orthogonal linear polarizations of the components of the information and reference channels as a result of the superposition of the reference and of the reciprocally orthogonal circulation, of the information beam. If polarization. Superposition of reciprocal 5 by adjusting the sample 17 of pre-orthogonally polarized reference waves and any of the information

биваютс их равенства, что соответствует совпадению среднего уровн высот исследуемой поверхности (фиг,2)they are equal, which corresponds to the coincidence of the average level of the heights of the surface under study (Fig. 2)

составл ющих дает линейную пол ризацию с определенным азимутом при условии , что интенсивности суперпони- рующих составл ющих равны. Выравнивание интенсивностей достигаетс путем вращени четвертьволновой пластинки 2. Интенсивность света, прошедшего через систему четвертьволнова пластинка 2 - пол ризатор 4, определ етс взаимной ориентацией главной оси пластинки 2 и плоскостью пропускани пол ризатора 4. Измен угол между указанными направлени ми, управл ют интенсивностью прошедшего излучени . Азимут пол ризации результирующего излучени измер ют с помощью анализатора 15 о На модул тор 14 Фараде подаетс переменное синусоидальное напр жение с частотой - , с помощью чего раскачиваетс плоскость пол ризации результирующего излучени , Враcomponents gives a linear polarization with a certain azimuth, provided that the intensities of the super-component components are equal. The intensity equalization is achieved by rotating the quarter-wave plate 2. The intensity of the light transmitted through the quarter-wave plate 2 - polarizer 4 system is determined by the mutual orientation of the main axis of the plate 2 and the transmission plane of the polarizer 4. By changing the angle between these directions, the intensity of the transmitted radiation is controlled. . The azimuth of polarization of the resulting radiation is measured using a 15 o analyzer. On the Farad modulator 14, an alternating sinusoidal voltage is applied with a frequency - with which the polarization plane of the resulting radiation, Sw

ща анализатор 15 линейной пол ризации , добиваютс удвоени частоты 2 сигнала, регистрируемого фотоэлектрическим блоком 16. Удвоение частоты контролируетс на осциллографе (не показан). Снима отсчет по лимбу анализатора 15, наход т азимут пол - ризащш результирующего излучени .A linear polarization analyzer 15 achieves a doubling of the frequency 2 of the signal detected by the photovoltaic block 16. The frequency doubling is monitored on an oscilloscope (not shown). Taking a reading on the limb of the analyzer 15, the azimuth of polarization of the resulting radiation is found.

Измерение высоты микронеровности шероховатой поверхности выполн ют следующим образом.The measurement of the microroughness height of the rough surface is performed as follows.

На место объекта 17 устанавливаетс эталонный образец с высокополированной отражающей поверхностью.A reference sample with a highly polished reflective surface is placed in place of object 17.

новой пластинки 2 выравниваютс интенсивности опорного и наклонно падающего на объект 17 пучков. По лимбу анализатора 15 снимаетс отсчет. азимута р линейной пол ризации пучка , полученного в результате суперпозиции опорного и наклонного информационного пучков. Затем наклонныйThe new plate 2 is aligned with the intensities of the reference and oblique 17 beams falling on the object. A count is taken over the limb of the analyzer 15. azimuth p is the linear polarization of the beam obtained as a result of the superposition of the reference and oblique information beams. Then oblique

информационный пучок перекрываетс и снимаетс отсчет азимута oig линейной пол ризации пучка, полученного в результате суперпозиции опорного и нормально падающего пучка на эталон.the information beam overlaps and reads the azimuth oig azimuth of the linear polarization of the beam resulting from the superposition of the reference and normal incident beam on the reference.

На следующем этапе устанавливаетс образец 17. Критерием точности установки образца 17 служит азимут/3 линейной пол ризации, полученной в ребиваютс их равенства, что соответствует совпадению среднего уровн высот исследуемой поверхности (фиг,2)At the next stage, the sample 17 is established. The criterion for the accuracy of the installation of the sample 17 is the azimuth / 3 linear polarization obtained in their equality, which corresponds to the coincidence of the average level of the height of the surface under investigation (Fig. 2)

40 с поверхностью эталона. Снимают значение азимута ci, линейной пол ризации пучка, образованного суперпозицией опорного и информационного пучка дл нормального падени излучени на об45 разец. Разность азимутов oi - характеризует величину высоты микронеровностей шероховатой поверхности. Среднеарифметическа высота микронеровностей определ етс по формуле:40 with the surface of the standard. The value of azimuth ci, the linear polarization of the beam formed by superposition of the reference and information beam for the normal incidence of radiation on the sample, is removed. The difference of azimuths oi - characterizes the value of the height of asperities of the rough surface. The arithmetic average height of asperities is determined by the formula:

5050

срwed

4(). four().

Claims

Invention Formula

551 A method of measuring the asperity height of a rough surface, which consists in forming reference and information beams from a radiation source, directs spheres 513

The measured beams, respectively, on the reference and measuring surfaces along the normal to them, spatially combine the beams reflected from each of the surfaces, record the result of the interaction of the combined beams, and determine the height of the surface asperities, characterized in - the reference and information beams linearly polarize one with respect to the other in orthogonal planes, divide the information beam into two, align all beams in intensity, directing the second information beam at an acute angle to the test surface and reflecting the beam from the test surface retroreflecting through it along the original path, after spatial alignment of all the beams, they are spatially filtered, the specular component of each of the beams is transformed and the selected beams are transformed from linearly polarized in circularly polarized form two pairs of beams, each of which consists of a reference one and one of informational circularly populated beams, as In the result of the interaction, the total polarization of each of the pairs is recorded, the azimuth of the linear polarization is determined, and the height of asperities is determined by the dependence of

BUT.

47

(")

oio is the azimuth of linear polarization 40 in the interaction of reference and normally incident information beams on a reference surface;

41 6

iX, is the azimuth of the linear polarization in the interaction of the reference and normally incident information beam on the test surface; 9 is the working wavelength of the measurement source.

2. A device for measuring the heights of roughnesses on rough surfaces containing a radiation source by a two-beam Michelson interferometer and a photovoltaic block, characterized in that it is equipped with a quarter-wave plate located between the radiation source and the interferometer and installed with the possibility of rotation relative to the optical axis of the device, two polaroids, installed respectively in the reference and information branches of the interferometer, a beam splitter installed in the information branch, A number of mirrors and a spatial frequency filter between the interferometer and the photovoltaic block, the second quarter-wave plate, the Farade modulator and the analyzer, the mirrors are mounted along the corresponding n; 1 radiation directions after the beam splitter and are oriented in such a way that the direction of radiation from one of them coincides with normal to the test surface, and the normal to another mirror coincides with the direction of the radiation reflected from the test surface, the polaroids about are oriented relative to each other in such a way that their transmission planes are orthogonal, and the second quarter-wave plate is oriented so that its main plane is at an angle of 45 to the transmission plane of the polaroid

nineteen

Editor S.Patrusheva

Compiled by N.Solouhin

Tehred N.GlushchenkoKorrektor A.Obruchar

1207/41

Circulation 678 Subscription

.VNIIPI USSR State Committee

for inventions and discoveries 113035, Moscow, Zh-35, Raushsk nab., 4/5

Production and printing company, Uzhgorod, st. Project, 4

VU2.2