Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор состояния вопроса и литературных источников по тематике исследования 6
Оптические измерительные изображения второго рода: теневая картина (тенеграмма)
Гартманограмма 15
Интерферограмма 20
Глава 2. Теоретический анализ и концепция дифракционной интерферометрии 26
Классические лазерные интерферометры 29
Альтернативный интерферометр с дифракционным опорным волновым фронтом
Относительно формы и структуры дифрагированного волнового фронта 37
Исследование формы дифрагированного опорного фронта 44
Глава 3. Структура интерференционного изображения и точность измерений 47
Функции преобразования систем формирования
Интерференционного изображения 47
Анализ погрешностей метода интерферометрии 54
Глава 4. Структура интерференционной картины и схемное решение интерферометра 61
Глава 5. Высокоточная обработка и интерпретация сложных интерферограмм 75
Выводы по работе : 85
Наиболее существенные результаты и научная новизна работы ... 86
Теоретическая значимость исследования 88
Практическая ценность полученных результатов 89
Научные положения и результаты исследований 90
Публикации и апробация работы п
Литература:
- Оптические измерительные изображения второго рода: теневая картина (тенеграмма)
- Альтернативный интерферометр с дифракционным опорным волновым фронтом
- Интерференционного изображения
- Наиболее существенные результаты и научная новизна работы
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования обусловлена необходимостью радикального повышения точности процесса контроля и исследований качества изготовления оптических систем и поверхностей высокой точности, а также упрощения и удешевления процесса контроля путем применения принципиально новых методов и аппаратуры контроля
Современное оптическое приборостроение характеризуется непрерывным увеличением объемов выпуска продукции при одновременном совершенствовании ее технических характеристик. Доля изделий с форсированными оптическими характеристиками увеличивается. Оптические системы наивысшей точности, применяемые, например, в космических телескопах, исследовательских микроскопах и аппаратуре для микроэлектроники, не должны иметь остаточные погрешности, превышающие 1/30-1/40 длины волны. Одно из основных правил метрологии гласит, что погрешность средства измерения должна быть в 10 раз меньше измеряемой ошибки изделия. Поэтому погрешности измерительной аппаратуры для создания таких оптических систем не могут быть больше, чем 1/300 - 1/400 длины волны.
Принципиальный и неустранимый недостаток существующих интерферометрических комплексов состоит в том, что в их конструкции всегда необходимо применение образцовой оптической детали, которая неизбежно содержит ошибки изготовления. Эти ошибки обычно составляют 1/10 - 1/30 длины волны и, следовательно, такие приборы пригодны для метрологически корректного определения лишь достаточно больших остаточных ошибок контролируемого изделия, составляющих 1-1/3 длины волны.
Цель работы: исследование путей повышения точности и эффективности методов и аппаратуры дифракционной интерферометрии на основе развития теоретической модели и практической реализации метода.
Задачи исследования:
1. Анализ ограничений традиционных метоле
-
Теоретическое и экспериментальное исследование параметров волны, образованной дифракцией на малой диафрагме и используемой в качестве референтной (опорной) в дифракционном интерферометре.
-
Анализ факторов, определяющих структуру интерферограммы и точность метода.
-
Макетирование и экспериментальное исследование аппаратуры интерферометрии повышенной точности и эффективности.
Предмет исследования Концепция дифракционной интерферометрии как научно-технического направления современных оптических исследований, контроля и измерений.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования основаны на применении положений и соотношений геометрической и физической оптики, в том числе векторной теории дифракции, теории оптических приборов, теории оптических измерений. Использован компьютерный анализ и интерпретация результатов исследований, что расширяет возможности анализа механизмов интерферометрии и повышает наглядность результатов исследований, создает дополнительные предпосылки к выявлению дополнительной научной информации и формулированию новых принципов и положений.
3 экспериментальных исследованиях широко использованы средства современной оптотехники, узлы и элементы оптической измерительной аппаратуры, ввод изображений в компьютер, компьютерная обработка, трансформация и интерпретация изображений.
Научная новизна работы:
-
Рассмотрена теоретическая модель дифракционной интерферометрии с учетом положений современной векторной теории дифракции на малом отверстии, в ближнем и дальнем поле.
-
Показана высокая точность и надежность метода дифракционной интерферометрии с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии.
-
Исследованы различные факторы информативности и точности метода:
форма и структура опорного волнового фронта;
структура интерферометрического изображения: зашумленность и резкость, заданная градиентом пограничной кривой.
4. Предложено новое схемное решение дифракционного интерферометра.
5.. Определены оптимальные соотношения схемы интерферометра,
требования к размеру диафрагмы
Теоретическая значимость исследования
Результатами исследования показано и экспериментально подтверждено решающее значение направления дифракционной интерферометрии и
лазерного интерферометра с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии, для развития современного оптического приборостроения в части создания и использования оптических систем наивысшей точности, в том числе — для нано-литографии. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, могут быть использованы для дальнейшего развития теории и методологии современного оптического контроля, при развитии теории проектирования и контроля оптических систем предельной точности, а также в теоретических основах создания и применения интерферометров как традиционных, так и альтернативных схемных решений.
На основе применения выводов векторной теории дифракции установлены соотношения, постулирующие сферичность дифрагированного опорного фронта с погрешностью не более 1/10000 длины световой волны, что подтверждает его идеальность во всех практических применениях.
Практическая ценность полученных результатов.
-
Реализован и исследован интерферометр повышенной точности, модернизирован с использованием цифровой видеотехники, компьютерной регистрации и обработки интерференционной информации
-
Разработана методика исследования интерферограммы с использованием существующего программного обеспечения, повышено качество изображения интерферограммы.
-
Исследован метод повышения резкости интерферограммы путем обработки изображения с формированием контуров, что дало дальнейшее 10 — 40 - кратное повышение точности измерений.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на зашиту.
-
Показано, что для целей контроля качества оптических систем и элементов высокой точности перспективность и высокую эффективность демонстрирует метод дифракционной интерферометрии в версии лазерного интерферометра с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии.
-
Разработана модель дифракционной интерферометрии и лазерного интерферометра с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии. Исследован наиболее перспективный метод дифракционной интерферометрии, что одновременно предусматривает исследования и совершенствование традиционных интерферометров на основе разработанного принципа.
-
На основе разработанной модели объяснены механизмы действия интерферометра и характер получаемого измерительного изображения.
-
Показано, что возможные деформации дифрагированного опорного волнового фронта, снижаются с увеличением расстояния и уже на
расстоянии 10000 длин волн (порядка 5 мм) от дифрагирующего отверстия не превышают 0.00001 мкм, что позволяет считать опорный фронт практически идеально сферическим.
-
Показано, что градиент пограничной кривой для элементов интерференционного изображения определяет структуру и резкость интерферограммы, информативность исследований и точность интерферометрии.
-
Изофотометрическая трансформация интерферограммы (оконтуривание) в системе регистрации позволяет радикально повысить резкость, исследовать тонкую структуру изображения и существенно повысить точность измерений.
-
Интерферограмма оптической поверхности, полученная на интерферометре; имеет чрезвычайно высокое качество изображения, лишена шумов и спекл-зернистости, что создает дополнительные серьезные предпосылки для повышения точности интерферометрии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
XXXI научно-технической конференции профессорско-
преподавательского состава, 5-7 Февраля 2002 г.
Proceedings of the First Scientific workshop presentation Optical Micro- and Nanotechnologies (OMaN-1), 17-18 June 2002, St.-Petersburg, 2 доклада. X international conference Laser-Assisted Microtechnology (LAM-X), 29 June - 3 July, 2003, St.-Petersburg - Pushkin.
International conference of Optical systems Design, Saint-Etienne, France, 29 Sep.-3 Oct. 2003.
&
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, заключения и списка использованных источников. Работа содержит страницы, включая .ГТГ таблиц, ?:/. рисунков. Список использованных источников содержит 3/. наименований.
Оптические измерительные изображения второго рода: теневая картина (тенеграмма)
К недостаткам можно отнести не преодоленные до конца трудности количественной интерпретации теневого изображения, в результате чего метод в настоящее время применяется преимущественно для технологического контроля в форме качественных оценок состояния оптических поверхностей и материалов, а также уровня аберраций оптических элементов и систем. Итак, метод применяется в основном, как качественный метод оценки и используется при изготовлении оптических поверхностей на этапе формообразования, и иногда при контроле оптических элементов и систем.
Недостатки теневого метода преодолеваются в настоящее время методом интерференционным, который объединяет достоинства наглядности отображения деформакций волнового фронта и возможность колличественной интерпретации результатов для выполнения измерений с высокой точностью. Гартманограмма
Основной принцип методов контроля с применением перфорированного экрана заключается в том, что волновой фронт оценивается в ряде предварительно выбранных точек, а результаты сравниваются с теоретическим значениями. Методы базируются на законах геометрической оптики; идея заключается в том, что наличие у волнового фронта погрешностей в некоторой области приводит к фокусировке света в точке, отличающейся от теоретического фокуса, или к пересечению сфокусированных пучков лучей с осью в плоскости, не совпадающей с плоскостью для случая идеального фронта. В результате погрешности волнового фронта оценивают, определяя, в какой плоскости вдоль оптической оси пересекаются пучки лучей от некоторой области волнового фронта, и каково различие в положении этой плоскости и теоретическом положении точки пересечения лучей для идеальной волны.
Если волновой фронт оценивается несколькими лучами или пучками, перпендикулярными к нему, отклонение световых следов от их идеальных положений можно зафиксировать на некоторой регистрирующей плоскости. Идеальный волновой фронт при этом не обязательно должен быть точно сферическим, а в принципе может иметь любую форму, так как интерес представляют лишь отклонения от него.
В 1904 году Гартман опубликовал предложенный им метод, пригодный для точного количественного измерения различных аберраций, включая хроматические. Исходя из геометрического рассмотрения задачи, Гартман выделял диафрагмами пучки лучей, выходящих из системы, создающей в схеме контроля изображение тест-объекта "светящаяся точка" и, пользуясь внефокальными фотоснимками следов пучков лучей, определял точки пересечения отдельных лучей с оптической осью. Метод Гартмана, разработанный первоначально для измерения аберраций объективов, в последующие годы нашел эффективное применение при исследованиях качества различных оптических систем, в том числе - крупногабаритных астрономических зеркал [27].
В выходной зрачок исследуемой оптической системы устанавливается диафрагма Гартмана - непрозрачная заслонка с серией отверстий. Диафрагма пропускает отдельные пучки лучей исходя из искажения волнового фронта, затем выполняется регистрация и исследование направления хода лучей. На каждой из пластинок регистрируется гартманограмма, на которой зарегистрированы световые пятна, то есть следы пучков лучей, которые пересеклись со светочувствительной площадкой приемника изображения.
Если волновой фронт не имеет деформаций, расположение пятен гартманограммы соответствует расположению отверстий на диафрагме Гартмана. Если , например, имеется деформация волнового фронта, такая как на рис 3, то крайние пятна на 1-ой пластине сгруппируются на краю, а на 2-ой они сдвинутся к центру. Если изменить расстояние между пятнами, и если известно расстояние до пластин, из подобия треугольников можно определить точки схождения лучей и пересечения ими оптической оси.
Непрозрачный экран с отверстиями (названный диафрагмой Гартмана) (рис.3) устанавливается в зрачке исследуемого объектива; отверстия выполняются круглыми, оптимальный их диаметр выбирается из соотношения d - 0,005 - 0,0025 f, где/ - фокус исследуемой системы или расстояние от зрачка до точки схождения лучей. Далее на фотопластинках (гартманограммах) измеряют координаты следов пучков лучей (пятен).
Альтернативный интерферометр с дифракционным опорным волновым фронтом
Для обоснования возможности использования волнового фронта, дифрагированного на малом отверстии, в качестве образцовой поверхности, важно знать основные факторы, определяющие возможные искажения, а также понять механизм их влияния на поведение амплитуды и фазы в дифрагированной волне [15 ]. Следует отметить тот факт, что корректное поля в дальней или радиационной зоне.
Все указанные решение данного вопроса затрагивает сразу несколько дифракционных явлений: - формирование распределения амплитуды и фазы светового поля в ближней зоне дифракции - так называемого ближнего поля, - трансформация ближнего поля в поле средней и дальней зоны, - характер распространения явления невозможно учесть и описать в рамках скалярной теории дифракции, которая не учитывает характер взаимодействия светового поля с препятствиями на волновом и субволновом уровнях [1 - 20].
Из классической оптики известны строгие векторные модели образования излучения, трансформации начального излучения в радиационное, образование линейно поляризованной сферической волны, а также дифракции плоской или сферической волны на тонком полубесконечном экране [1]. В этих моделях используется описание светового поля уравнениями Максвелла, поэтому они являются достаточной фундаментальной основой для решения общих прикладных задач. Однако, к сожалению, приходится сталкиваться с тем фактом, что для большинства вновь возникающих дифракционных приложений не существует удовлетворительного аналитического решения, то есть, иначе говоря, невозможно просто распространить классические решения на другие, более реальные случаи.
Интенсивные исследования в области векторной дифракционной теории света [10] ведутся на протяжении нескольких лет, что обусловлено быстрым развитием новых технологий в самых разных областях современного оптического приборостроения, фотолитографии, а так же в вопросах, связанных с развитием новых методов и технологий оптического сверхразрешения. Как следует из работ, посвященных векторной теории дифракции света, еще существует множество нерешенных проблем в этой области оптики. В связи с этим происходит дальнейшее развитие различных математических компьютерных моделей пространственного распределения света в изображении тонкой структуры предмета с учетом векторных свойств светового поля [2]. В частности, в целом ряде работ [3-S] приведены различные методики расчета интенсивности света для оптических систем с высокими числовыми апертурами, а так же анализа качества изображения",
В работах [8-15] рассматриваются различные прикладные аспекты векторной теории дифракции, и, в частности, подробно исследовано численное решение задачи прохождения светового поля через малое отверстие в проводящем экране [12, 15], причем отверстие имеет размеры не более длины волны. На основе векторной теории дифракции рассматривается взаимосвязь ближнепольных и дальнепольных распределений светового излучения, выходящего из субволновой апертуры оптоволоконных зондов для ближнепольной растровой оптической микроскопии - БРОМ-зондов. Рассмотрены теоретические и практические результаты определения параметров субволновой апертуры БРОМ-зондов по измеряемым характеристикам дальнего поля. Предложен алгоритм, позволяющий определить ближнепольную аппаратную функцию зонда.
Из теории дифракции [1] следует, что распределения электромагнитного поля в ближней и дальней зоне дифракции взаимосвязаны, что позволяет решать обратные задачи дифракции и оптического сверхразрешения при наличии соответствующих априорных данных.
Необходимость решения обратных задач такого рода возникла в ближнепольной оптике в связи с трудностями точного исследования субволновой апертуры на оконечности БРОМ зондов, изготовленных на основе оптических волокон. Эту апертуру нельзя различить в обычный оптический микроскоп, а другие методы микроскопии высокого разрешения (электронная сканирующая микроскопия - SEM, атомно-силовая микроскопия SFM и др.) не могут дать однозначной информации об апертуре вследствие неоптической природы процессов наблюдения. Одним из методов, обеспечивающих получение необходимой информации, является метод исследования БРОМ зондов по характеристикам дальнего светового поля.
Интерференционного изображения
Взаимовлияние синтезируемых методов исследования прецизионных поверхностей с достижением новых результатов и свойств иллюстрируется также на примере предложенного (и реализованного в виде серийного прибора) метода изометрии второй производной функции пространственного распределения интенсивности, позволяющего, например, выделять центры (оси) интерференционных полос. Эта разработка дала возможность создать автоматизированный интерферометр нового типа, позволяющий повысить точность расшифровки интерферограмм в 10 - 40 раз в реальном времени.
Операция электронного выделения и визуализации центров интерференционных полос (рис.15) с умножением частоты полос [33] осуществлена согласно ФП вида: -(ysinS + kW) Я Iok = comb (15) где 10К - относительная интенсивность в оконтуренной интерферограмме; в - угол заклона образцового волнового фронта интерферометра относительно рабочего волнового фронта; W - волновая аберрация; у - координата в интерферограмме, ориентированная по нормали к направлению интерференционной полосы; к - коэффициент умножения полос.
Если к =2, то при этом цена шага интерференционной полосы составляет А/4, что создает эффект интерферометрии с использованием излучения, имеющего X « 300 нм.
Точность определения координат интерференционных полос возрастает, как показали исследования, в 40 раз по сравнения с точностью измерения необработанной интерферограммы, что соответствует возможности визуального обнаружения деформации волнового фронта на уровне X /200 в реальном времени.
Точностные характеристики прибора исследования прецизионных поверхностей зависят от принципа и конструкции измерительного преобразователя и могут быть определены при анализе функции преобразования.
Анализ погрешностей метода интерферометрии Испытания и аттестация реализованных приборов не выявили погрешностей, которые превышали бы значения 0,02 . Практика работы дифракционных интерферометров с анализатором интерферограмм (ТАИ-1) показала возможность обнаружения и оценки ошибок волнового фронта на уровне 0,005А, в реальном времени в интерактивном режиме. Сферические вогнутые поверхности могут контролироваться таким прибором с точностью лучше 0,01 длины волны.
Для контроля асферических поверхностей предусмотрены два способа. Первый: использование анаберрационных схем контроля с применением технологических зеркал, изготовленных под данный интерферометр. Второй: применение коррекционного объектива, также изготовленного и аттестованного под данный интерферометр.
Определим источники погрешностей метода дифракционной интерферометрии. Метрологические характеристики, одной из которых является точность метода, принято определять на основании градуировочной характеристики средства измерения, называемой также функцией преобразования [30] данного средства измерения. Данная функция отражает зависимость между сигналом у на входе измерительной системы (прибора) и сигналом у\ характеризующим измеряемую величину, на выходе прибора. Для метода интерферометрии функция преобразования имеет вид зависимости (12), где W определяют путем измерения координат полос Ш и Н2, По правилу определения ошибки косвенного измерения [31] в общем случае: Г V XI Y\ drisH=sH (16)
Таким образом, погрешность измерения ошибки оптических систем и элементов методом интерферометрии определяется погрешностью измерения координаты Н. Анализ структуры интерферограммы показал, что край интерферограммы является нерезким, и распределение интенсивности в нем описывается пограничной функцией. В этих условиях погрешность Я ТІ измерения координаты положения границы п зависит [26] от градиента перепада интенсивности ПЗ в пограничной зоне полосы интерферограммы
Наиболее существенные результаты и научная новизна работы
Теоретическая модель дифракционной интерферометрии открывает путь к решению проблемы повышения верности и надежности интерференционных исследований. Подтверждено важное значение PDI-интерферометров для создания и использования оптических систем наивысшей точности.
Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, могут быть использованы для дальнейшего развития теории и методологии современного оптического контроля, при развитии теории проектирования и контроля оптических систем предельной точности, а также в теоретических основах создания и применения интерферомеров как традиционных, так и альтернативных схемных решений.
Практическая ценность полученных результатов.
1. Реализован и исследован PDI - интерферометр повышенной точности, обладающий простотой, экономичностью, удобством и оперативностью применения, позволяющий контролировать прецизионные оптические поверхности и системы с точностью на уровне 1/100 длины волны. Показана возможность развития данного интерферометра с использованием цифровой видеотехники, компьютерной регистрации и обработки интерференционной информации.
2. Разработана методика компьютерного исследования интерферограммы , показано существенное повышенное качество изображения PDI - интерферограммы, способствующее эффективному применению современных средств повышения точности измерений.
3. Исследован метод повышения резкости интерферограммы путем обработки изображения с формированием штриховых контуров интерференционных полос, что дает дальнейшее 10 - 40 - кратное повышение точности измерений. 4. На основе разработанных методов собран и испытан компьютеризированный интерферометрический комплекс по схеме PDI-интерферомера. Устройство, при его серийном производстве, может быть доступным для широкого круга исследователей и способно обеспечить значительные объемы исследований оптических изделий различного класса, включая системы для нано-литографии..
Научные положения и результаты исследований
1. Результатами исследования известных методов интерферометрии оптических систем и элементов, показано, что для целей исследования качества оптических систем и элементов высокой точности перспективность и высокую эффективность демонстрирует метод дифракционной интерферометрии в версии лазерного интерферометра с опорным волновым фронтом, синтезированным путем дифракции на точечном отверстии (PDI). Основные достоинства метода состоят в его высокой (предельной) точности, превышающей точность традиционных интерферометров на несколько порядков. Другие достоинства - простота, оперативность и высокая информативность в части выявления деформаций волновых фронтов, в том числе - связанных с ошибками и аберрациями оптических систем и элементов, а также качественной и количественной оценки этих дефектов,
2. Разработана модель дифракционной интерферометрии и PDI-интерферометра. Исходя из задач данного исследования и на основе разработанной модели был исследован наиболее перспективный для целей контроля качества оптических систем и элементов высокой точности метод интерферометрии, что, одновременно предусматривает исследования и совершенствование традиционных интерферометров на основе разработанного принципа дифракционной интерферометрии.
3. На основе разработанной модели дифракционной интерферометрии и введенного в эту модель понятия "дифракционного эталона", достаточно просто и полно объяснены механизмы действия интерферометрии и характер получаемого измерительного изображения (интерферограммы) в зрачке исследуемой оптической системы.
