CC BY
53
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАЗОВОГО СДВИГА В ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМ ПРОФИЛОМЕТРЕ
Евгений Владимирович Сысоев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Конструкторско-технологический институт научного приборостроения» СО РАН, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, тел. (383) 306-62-12, e-mail: evsml@mail.ru
Игнат Александрович Выхристюк
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Конструкторско-технологический институт научного приборостроения» СО РАН, младший научный сотрудник, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, тел. (383) 306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru
Александр Владимирович Запреев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет», магистрант, 630073, Россия, г. Новосибирск, проспект К. Маркса, 20 тел. (383)306-62-12, e-mail: zapreevav@gmail.com
Родион Владимирович Куликов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, младший научный сотрудник, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, тел. (383)306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru
Представлен алгоритм определения фазового сдвига между интерферограммами при измерении нанорельефа поверхности методом частичного сканирования коррелограмм по распределению спектра амплитуд интенсивности интерференционного сигнала. Показано, что расчет шага сканирования по предложенной методике позволяет снизить влияние синхронных фазовых искажений более чем на порядок. Расчеты показали, что шум в интерферо-граммах удалось снизить с 7,5 % до 0,1 %, а нелинейность с 7 % до 0,2 %.
Ключевые слова: низкокогерентная интерференционная профилометрия, погрешность измерения, фазовый сдвиг.
DETERMINATION OF PHASE SHIFT IN WHITE-LIGHT INTERFEROMETER
Evgeny V. Sysoev
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, Ph. D., senior scientist, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., tel. (383) 306-62-12, e-mail: evsml@mail.ru
Ignat A. Vykhristyuk
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, Junior scientist, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., tel. (383) 306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru
Aleksandr V. Zapreev
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, Novosibirsk, 20, Karl Marks Prospekt, Undergraduate, tel. (383) 306-62-12, e-mail: zapreevav@gmail.com
Rodion V. Kulikov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, Junior scientist, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., tel. (383) 306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru
Algorithm of phase shift determination by interferograms for nanorelief surface measurement using the method of partial scanning of correlograms is presented. The algorithm is based on analysis of distribution of interference signal intensity. It is shown that the calculation of scanning step using the proposed method reduces the impact of synchronous phase distortion. Amplitude noise and nonlinearity in correlograms were reduced from 7,5 % to 0,1 % and from 7 % to 0,2 %, correspondingly.
Key words: low-coherence interference profilometer, measurement error, phase shift.
Низкокогерентная фазосдвигающая интерферометрия обеспечивает высокую точность измерений и широко используется при решении задач профило-метрии в метрологии, машиностроении и научных исследованиях [1, 2].
Одной из важных задач в развитии интерференционных систем является снижение погрешности измерений в нанометровом и субнанометровом диапазоне.
Измерение рельефа основано на вычислении разности фаз функций корреляции световых волн, рассеянных различными участками поверхности [3]. Для этого производится сканирование фазы интерферирующих волн, например, посредством перемещения зеркала в опорном плече интерферометра, установленного на пьезакерамический актюатор. На актюатор подается напряжение Uk =и0 + AU-к, где к<=[0..К-\\ - номер шага перемещения, К- количество шагов. Интенсивность света в интерферограмме для каждой точки p измеряемой поверхности можно представить в виде:
h,P= A
Zk-Zp
(1)
где В(2к -гр) - функция огибающей сигнала, гк - значение координаты (вдоль которой производится сканирование) на к-ом шаге, 2р - высота рельефа поверхности в точке р, 1С - длина когерентности света.
Вибрации интерферометра [5], изменение давления воздуха приводят к дополнительному фазовому сдвигу на каждом шаге сканирования, к росту амплитудного шума в коррелограммах и, соответственно, к увеличению погрешности измерений [6].
Целью данной работы является разработка алгоритма определения фазовых сдвигов между интерферограммами при коррелированном воздействии внешних факторов и для расчета шага сканирования с целью снижения погрешности измерений. Для этого предложено рассчитывать величину фазового сдвига на основе распределения интенсивности в регистрируемых интерферо-граммах.
Коррелированный фазовый сдвиг А<р между соседними интерферограмма-ми для каждой точки поверхности р вычисляется из разности двух сигналов
интерферограмм А1р, заданных выражением (1). При условии, что на измеряемом участке поверхности функция В(2к-1р) изменяется незначительно, получаем:
\кр =А{+Всо^р.
(2)
Решение системы уравнений (2) даёт выражение для фазового сдвига Аср:
А ср = 2агсзт
А/
(3)
Для решения задачи рассчитывались максимальные значения разности интенсивностей А/тах и амплитуды сигналов интерференции.
Для проверки предложенного алгоритма была создана программная модель процесса регистрации интерферограмм, полученных от наклонной плоскости. Модель позволяет задавать такие параметры, как: А , 1с, величину нелинейности шага сканирования, амплитуду случайных синхронных искажений фазы интерференции.
Результат работы алгоритма: а - исходная коррелограмма, б - обработанная коррелограмма
На рисунке представлена исходная коррелограмма (а), построенная по набору интерферограмм. При генерации интерферограмм были добавлены синхронные фазовые искажения, имеющие случайный характер (нормальное распределение) с амплитудой 7,5% и нелинейностью шага сканирования 7%. Результаты применения алгоритма приведены на рисунке - коррелограмма (б).
Расчеты показали, что шум в интерферограммах удалось снизить с 7,5% до 0,1%, а нелинейность с 7% до 0,2%.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. David J. Aziz. Interferometric measurement of surface roughness in engine cylinder walls // Optical Engineering. - 1998. - Vol. 37. - Issue 5. - P. 1429-1434.
2. Leslie Deck, Peter de Groot. High-speed noncontact profiler based on scanning white-light interferometry // Applied Optics. - 1994. - Vol. 33. - Issue 31. - P. 7334-7338.
3. Сысоев Е.В. Метод частичного сканирования коррелограмм для измерения микрорельефа поверхностей // Автометрия. - 2007. - Т. 43. - №1. - С. 107.
4. Fleischer M., Windecker R. Tiziani H.J. Theoretical Limits of Scanning White-Light Interferometry Signal Evaluation Algorithms // Applied Optics. - 2001. - V. 40. - Issue 17. - P. 28152820.
5. Leslie Deck. Suppressing phase errors from vibration in phase-shifting interferometry // Applied Optics. - 2009. - Vol. 48. - №20. - P. 3948-3960.
6. Сысоев Е.В., Выхристюк И.А., Куликов Р.В., Поташников А.К., Разум В.А., Степнов Л.М. Интерференционный микроскоп-профилометр // Автометрия. - 2010. - Т 46. - №2. -С. 119.
© Е.В. Сысоев, И.А. Выхристюк, А.В. Запреев, Р.В. Куликов, 2013
