Лазерные дифракционные измерители

1.5. Лазерные дифракционные измерители

линейных размеров малых объектов

Предположения о возможности использования явления дифракции световых волн для контроля размеров малых объектов были впервые высказаны Роулэндом в 1888 году [13, 14, 15]. Позже он использовал это для качественного контроля изготовления периодической структуры дифракционных решеток. Сущность метода заключалась в том, что, если дифракционную решетку осветить монохроматической световой волной, то на некотором растоянии от нее формируются эквидистантно располо-женные дифракционные максимумы светового потока. При наличии дефек-тов решетки, вокруг этих основных максимумов возникают и добавочные максимумы, которые получили название “духов”. Однако теоретическое обоснование этого явления в то время так и не было сформулировано, что и не позволило определить аналитические зависимости, описывающие функциональную взаимосвязь распределения светового потока в “духах” с дефектами решетки.

Большой вклад в развитие теории дифракционных решеток внес В. Рон-ки, который занимался развитием и совершенствованием их производства более пятидесяти лет, начиная с 1921 года [13, 26]. Он дал простейшую теорию дифракционных решеток, описал их основные свойства и возмож-ность применения для контроля характеристик фотографических объек-тивов.

Г.Харисон [27] в 1949 году предложил способ контроля дифракционных решеток с помощью интерферометра Майкельсона и положил, таким образом, начало разработке схемы интерферометра с дифракционной решеткой для контроля качества самих решеток.

Дифракционные методы контроля качества изготовления периодических структур являются наиболее переспективными. Они положены в основу многочисленных лазерных дифракционных измерителей линейных размеров малых объектов.

Для контроля диаметра тонких отверстий в [28] предложено освещать контролируемые отверстия монохроматической световой волной и измерять амплитуду четных и нечетных максимумов дифракционной картины отверс-тия. Для расширения диапазона диаметра измеряемых отверстий, необхо-димо изменять длину волны  излучения до тех пор, пока амплитуда интерференционного сигнала нечетных гармоник достигнет удвоенного значения амплитуды световой волны в свободном пространстве. Диаметр измеряемого отверстия определяют по формуле : , где - растояние между измеряемым отверстием и точкой измерения светового поля в дифракционной картине. Недостатком метода является необхо-димость применения лазера с перестраиваемой длиной волны генерации.

Известны также устройства [29, 30] для допускового контроля геометрических размеров изделий путем соответствующей обработки их дифракционного изображения сложной фотоэлектрической измерительной системой, либо оптической системой пространственной фильтрации. Однако эти устройства являются узко специализированными и требуют предварительного синтеза сложных голографических пространственных фильтров, что позволяет их использовать лишь для качественного допус-кового контроля изделий.

Таким образом лазерные дифрактометры являются наиболее переспек-тивным научным направлением развития автоматизированного метро-логического оборудования. Оно может быть также успешно использовано и для разработки средств автоматизации контроля статистических характе-ристик квазипериодической структуры ЛЗ. Это, в свою очередь, может быть выполнено лишь с созданием специализированных оптических систем обработки изображений (ОСОИ) на базе когерентных оптических спектро-анализаторов (КОС) пространственных сигналов, положенных в основу практически всех известных лазерных дифрактометров.

2. Обзор схем построения лазерных

дифрактометров

Интенсивное развитие этих систем началось в начале 80-х годов. Построение голографических и дифракционных оптических систем для метрологии основано на получении изображений Френеля, либо Фурье исследуемого объекта с последующим анализом их параметров фото-электической измерительной системой.

Основным преимуществом таких метрологических систем, перед ви-зуальными оптическими измерительными приборами, является высокая производительность, что позволяет автоматизировать ряд метрологических процессов в промышленности. Где требуется интегральная комплексная оценка качества изделия.

Для формирования изображений Фурье или Френеля исследуемого объекта используют когерентный оптический спектроанализатор прост-ранственных сигналов, схему построения и геометрические параметры которого выбирают в зависимости от характера решаемой задачи.

В настоящее время уже стала классической схема когерентного оптического спектроанализатора (КОС), приведенная на рис.1.

Рис.1. Принципиальная схема когерентного оптического спектро-

анализатора:

1. Лазер;

2. Телескопическая схема Кеплера;

3. Входной транспарант;

4. Фурье-объектив;

5. Дифракционное изображение.

КОС состоит из расположенных последовательно на одной оптической оси источника когерентного излучения - лазера 1 и телескопической систе-мы 2 Кеплера, формирующей плоскую когерентную световую волну. Эта волна падает на входной транспарант 3 с фотографической записью исследуемого сигнала. Входной транспарант 3 расположен в передней фокальной плоскости фурье-объектива 4 (объектива свободного от аберра-ции дисторсии и поперечной сферической ) с фокусным растоянием . На входном транспаранте 3 световая волна дифрагирует, и фурье-объективом 4 в задней плоскости 5 формируется дифракционное изображение исследуемого сигнала, которое является его фурье-образом и описывается выражением

, где А0 -амплитуда плос-кой монохроматической световой волны в плоскости ;  - длина волны;  - пространственные частоты, равные  и  , где х2, у2 - пространственные координаты в плоскости 5.

Таким образом, распределение комплексных амплитуд световых полей в задней и передней плоскостях фурье-объектива 4 оптической системы связаны между собой парой преобразований Фурье. Поле в задней фокальной плоскости является пространственным амплитудно-фазовым спектром сигнала, помещенного в его передней фокальной плоскости.

 Описанная выше оптическая система выполняет спектральное разложе-ние пространственного сигнала и является когерентным оптическим спектроанализатором. Он позволяет анализировать одновременно ампли-тудный и фазовый спектры как одномерных, так и двумерных пространст-венных сигналов.

Существует две основные разновидности схем построения лазерных дифрактометров. Эти схемы представлены на рис .2 и рис. 3.

При условии фокусировки оптической системы, представленной на рис.2, в ней осуществляется спектральное преобразование Фурье, форми-руемое в плоскости х3у3, над сигналом помещенным во входной плоскости х1у1. Однако, фурье-образ сигнала в такой системе содержит квадратичную модуляцию фазы волны из-за наличия фазового сомножителя, стоящего перед интегралом в выражении :

 (2.1).

Это выражение описывает пространственное распределение комплекс-ных амплитуд светового поля в плоскости х3у3 спектрального анализа и со-держит ряд взаимонезависимых квадратичных фазовых сомножителей.

Наличие фазовой модуляции фурье-образа приводит к тому, что при ре-гистрации его методами голографии в результирующей интерферограмме возникают дополнительные аберрации, значительно влияющие на его ка-чество. Эта фазовая модуляция также имеет важное значение и не может быть опущена в случае дальнейших преобразований деталями оптической системы фурье-образа сигнала. Но эта модуляция может быть устранена при соответствующем выборе геометрических параметров оптической системы, т.е.

, при . (2.2).

Таким образом, квадратическая фазовая модуляция фурье-образа устра-нима лишь в двух случаях:

при размещении сигнального транспаранта в передней фокальной плоскости фурье-объектива, что полностью совпадает с полученными ранее результатами исследований, но лишь для КОС с плоской вол-ной во входной плоскости, т.е. при .

при , т.е. плоскость х3у3 спектрального анализа должна совпа-дать с плоскостью х2у2 размещения фурье-объектива, что физически нереализуемо в оптической системе, согласно условию Гауса.

Учитывая выражения  и (2.2) можем преобразовать (2.1) к виду:

 (2.3),

откуда видно, что квадратичные фазовые искажения фурье-образа сигнала устранимы не только при освещении входного транспаранта плоской, но и сферической волной.

При условии фокусировки оптической системы, показанной на рис.3, в ней осуществляется спектральное преобразование Фурье, формируемое в плоскости х3у3, над пространственным сигналом, помещенном в плоскости х2у2. Однако, фурье-образ сигнала в такой системе содержит квадра-тическую модуляцию фазы волны из-за наличия фазового сомножителя. Наличие фазовой модуляции фурье-образа сигнала приводит к допол-нительным аберрациям интерферограммы при регистрации методами голографии. Эта модуляция имеет также важное значение и не может быть опущена. Модуляция может быть устранена на оптической оси системы и при , т.е. при фокусировке оптической системы на бесконечность. Но в этом случае оптическая система не будет осуществлять спектральное преобразование Фурье.

Для оптической системы КОС, представленной на рис.3, квадратичные фазовые искажения, приводящие к аберрационным искажениям фурье-об-раза сигнала, не могут быть устранены лишь путем соответствующего выбора геометрических парметров оптической системы. Для устранения этих искажений необходимо оптическую систему дополнить корректирую-щим фильтром с фазовой характеристикой, сопряженной к квадратичным фазовым искажениям фурье-образа сигнала.

Итак можно сделать выводы:

Квадратичные фазовые искажения фурье-образа сигнала устранимы путем соответствующего выбора геометрических размеров оптичес-кой системы, но лишь для КОС, выполненного по схеме “входной транспарант - перед фурье-объективом”.

При расположении ЛЗ в передней фокальной плоскости фурье-объектива масштаб ее дифракционного изображения не зависит от радиуса освещающей волны, а определяется величиной фокусного растояния и длиной волны излучения лазера. Это позволяет рас-ширить дифракционную полосу анализа путем увеличения радиуса освещающей волны, не изменяя, при этом масштаб дифракционного изображения.

При освещении ЛЗ, расположенной в передней фокальной плоскости фурье-объектива, плоской световой волной, погрешность прост-ранственной частоты зависит лишь от длины волны излучения лазера и фокусного растояния фурье-объектива, что позволяет обеспечить ее уменшение путем увеличения  и .

Рис.2. Схема КОС со входным транспарантом перед фурье-объективом

Рис.3. Схема КОС со входным транспарантом за фурье-объективом

3.Математическая модель квазипериодической

структуры СВЧ линий замедления

При статистических исследованиях геометрических размеров элементов пространственной структуры ЛЗ установлено, что из-за различных техноло-гических погрешностей, эти размеры являются величинами случайными с нормальным законом распределения. Таким образом, пространственная структура ЛЗ не является строго переодической, а поэтому ее энер-гетический спектр будет отличаться от энергетического спектра периоди-ческих структур.

Из скалярной теории [7, 8] известно, что оптической системой КОС в плоскости спектрального анализа формируется дифракционное изображе-ние пространственного объекта, помещенного во входной плоскости. Математические зависимости, описывающие форму дифракционного изоб-ражения, могут быть определены лишь путем решения задачи о дифракции когерентной световой волны на пространственной структуре объекта. Одна-ко для пространственной структуры ЛЗ с флуктуациями периодичности, решение такой задачи чисто оптическими методами не может быть полу-чено из-за значительной математической сложности ее. Кроме, того эти методы применимы лишь для решения дифракционных задач на регу-лярных детерминированных пространственных структурах и неприменимы для случайных пространственных сигналов.

Поэтому в настоящее время такие задачи для случайных оптических сигналов решают в оптике с применением методов статистической радио-физики в силу единства физических процессов и математических методов анализа прохождения электрических сигналов в электрических цепях и распостранения пространственных сигналов в оптических системах. Это позволяет определить распределение освещенности в дифракционном изображении квазипериодической пространственной структуры ЛЗ (т.е. ее энергетический спектр) путем вычисления усредненного квадрата преобра-зования Фурье над ее амплитудным коэфициентом пропускания.

Пространственная штриховая структура ЛЗ является квазипериодичес-ким сигналом, в технике ОСОИ, и состоит из взаимонезависимых прозрач-ных щелей и непрозрачных стенок. К тому же период пространственной структуры ЛЗ также является случайной величиной, так как он равен сумме двух взаимонезависимых величин. Таким образом, пространственная струк-тура ЛЗ относится к классу случайных квазипериодических сигналов.

Поскольку освещенность пространственной структуры ЛЗ, помещенной во входной плоскости КОС, равномерна по полю, то ее амплитудный коэфициент попускания  может быть описан единично-нулевой функ-

цией. Поэтому, в пределах ширины  прозрачных щелей функция , а в пределах ширины  непрозрачных стенок, соответственно, 0. Кроме того, ширина щелей  и стенок  являются величинами взаимонезави-симыми, поскольку при изгибах стенок толщина  их не изменяется, а изменяется лишь ширина  щелей. Взаимонезависимость этих величин также возникает и потому, что зубья в верхней и нижней гребенках наре-заются раздельно на разных заготовках, после спаивания которых обра-зуются между зубьями щели, а ширина их уже не зависит от толщины зубьев, что подтверждается также малостью коэфициента корреляции  для размеров  и .

Фрагмент квазипериодической пространственной структуры ЛЗ и соот-ветствующая ему функция пропускания  в сечении у=0 показаны на рис.4 (а и б), где Рх - период пространственной структуры, равный .

Поскольку ширина  щелей и  стенок являются величинами случайны-ми и взаимонезависимыми, то и период  пространственной структуры ЛЗ будет также величиной случайной. Период  является суммой двух случай-ных величин с нормальными законами распределения, следовательно, закон распределения  также будет нормальным.

Таким образом, амплитудный коэфициент пропускания  прост-ранственной квазипериодической структуры ЛЗ может быть описан функ-цией вида

 (2.4), где  - порядковый номер щели, - пространственная координата положения начала щели, - высота перекрытия зубьев в квазипериодической структуре ЛЗ.

Из выражения (2.4) видно, что переменные х и у функции  взаимо-независимы, а поэтому эта функция является функцией с разделяемыми переменными, и может быть представлена в виде произведения функций  и , т.е.  (2.5).

В выражении (2.5) функция  является финитной в пределах высо-ты  перекрытия зубьев верхней и нижней гребенок пространственной структуры ЛЗ вдоль координаты х, как показано на рис.4б.

Для оптической системы КОС пространственная структура ЛЗ является квазипериодическим сигналом. В свою очередь, основными характеристи-ками такого сигнала, т.е. пространственной структуры ЛЗ, являются:

средние размеры  и  ширины стенок и щелей, а также средние квадратические отклонения СКО  и  от них соответственно;

законы распределения  и  размеров стенок и щелей;

спектральная и корреляционная функции.

Для описания спектральных и корреляционных функций случайных сигналов часто используются характеристические функции. Характеристи-ческая функция  случайной величины  является фурье-образом ее закона распределения , т.е. , где - простран-ственная частота, измеряемая в [мм-1], поскольку в рассматриваемом случае координата  является пространственной и имеет размерность [мм].

Тогда с учетом получим:

, а вводя замену переменных вида

. Этот интеграл в новых пределах интегрирования от  до  можно представить через элементарные функции следующим выражением

 (2.6) , и аналогично  (2.7).

Полученные выражения (2.6) и (2.7) являются характеристическими функциями квазипериодической пространственной структуры ЛЗ с нормаль-ным законом распределения ширины  стенок и  щелей.

Как в оптических, так и в электронных устройствах спектрального анали-за сигналов, существует возможность получения как амплитудного, так и энергетического их спектров. Однако в теории спектрального анализа пространственных сигналов известно, что при использовании квадратичес-ких фотодетекторов для регистрации параметров дифракционного изобра-жения, формируемого оптической системой КОС, автоматически на ее вы-ходе формируется энергетический спектр исследуемого сигнала. Парамет-ры такого спектра могут быть измерены соответствующими контрольно-измерительными приборами, а форма его определена с применением мето-дов статистической радиооптики путем интегрального преобразования Винера-Хинчина, либо на основе теоремы Хилли.

Поэтому используя аналогию математических методов исследования спектральных характеристик пространственных и временных сигналов, распределение комплексных амплитуд спектра пропускания  в дифракционном изображении пространственной квазипериодической струк-туры ЛЗ, можно определить как  , или с уче-том (2.5) .

Полученное выражение описывает амплитудный спектр функции  пропускания квазипериодической пространственной структуры ЛЗ. Энерге-тический спектр  этой функции может быть определен с помощью теоремы Хилли [3.11] как , или же

.

Однако в работах [16, 17] показано, что для квазипериодического сигнала, описываемого единично-нулевой функцией вида (2.4)

 (2.8), где - дискретная составляющая спектра на нулевой частоте, которая для квазипериодической структуры ЛЗ будет равна

 (2.9) , а - непрерывная составляющая спектра, равная:  (2.10), что справедливо для  и  не равных 1, согласно [3.35].

В выражениях (2.9) и (2.10) параметр  является пространственной частотой энергетического спектра исследуемого сигнала, величина которой определяется коэфициентом  масштаба и зависит от схемы построения и геометрических размеров оптической системы КОС.

Для определения формы энергетического спектра пространственной структуры ЛЗ рассмотрим вещественную часть комплексной дроби в выражении (2.10), обозначив ее через В, т.е.

 (2.11). Подставив в (2.11) выражения (2.6) и (2.7) характеристических функций  и  получим:

 (2.12).

Выражение (2.12) представляет собой комплексную дробь вида , вещественная часть которой равна  (2.13).

Тогда, выполнив алгебраические преобразования над (2.12) с использо-ванием (2.13), вещественную часть В выражения (2.12) можно представить в виде :

 (2.14).

Подставив (2.14) в (2.10), получим уравнение непрерывной составляю-щей энергетического спектра квазипериодической пространственной струк-туры ЛЗ:

(2.15), а энергетический спектр пространственной структуры ЛЗ с нормаль-ным законом распределения ширины щелей и стенок может быть представ-лен следующим выражением:

 (2.16).

Наибольший интерес для практической реализации в оптических системах КОС для автоматизации контроля статистических характеристик пространственной структуры ЛЗ представляет второе слагаемое выражения (2.16), содержащее функциональную взаимосвязь этих характеристик. Пос-кольку это слагаемое содержит гармонические функции, что указывает на наличие частот  экстремальных амплитуд спектра. Величины экстремаль-ных амплитуд спектра и их частоты  полностью определяются статисти-ческими характеристиками геометрических размеров элементов простран-ственной структуры ЛЗ.

Первое слагаемое в (2.16) описывает амплитуду спектра на нулевой частоте, а в оптической системе КОС - интенсивность недифрагированного светового потока, который фокусируется оптической системой на его оси в плоскости спектрального анализа.