CC BY
25
2
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ЕСТЕСТВЕННЫХ, ТЕХНИЧЕСКИХ И ГУМАНИТАРНЫХ НАУК. НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ ВУЗОВСКОЙ НАУКИ
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АПЕРТУРЫ СБОМ - ЗОНДОВ НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДАЛЬНЕПОЛЬНОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ
Ле Зуй Туан
Разработано программное обеспечение для регистрации излучения зонда в дальнем поле с расширенным диапазоном регистрируемой освещенности. Распределения освещенности в дальней зоне сопоставлены с качеством зондов. Реализован метод компьютерного моделирования структуры ближнего поля на основе математической обработки полученной экспериментальной информации.
Введение
Одной из актуальных задач быстро развивающейся в настоящее время сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (СБОМ) [1] является контроль или аттестация ближнепольных зондов, т.е. определение их размеров и формы. Эта задача непосредственно связана с определением разрешающей способности СБОМ, поэтому кране важно найти наиболее оптимальные и простые пути ее решения. Непосредственное измерение параметров зонда возможно лишь средствами растровой электронной микроскопии (РЭМ), что по ряду причин не является наилучшим способом аттестации. Альтернативой электронному микроскопу является оптический анализ параметров вторичного источника света по характеристикам его излучения в дальней зоне, реализация которого может быть значительно более простой и дешевой, чем применение РЭМ. Кроме того, решение задачи аттестации зондов на основе этого подхода влечет за собой и другие важные преимущества, как, например, возможность экспериментального определения передаточной функции СБОМ.
Определение параметров апертуры зондов по характеристикам излучение в дальней зоне возможно, если разработать установку для обеспечения уверенной регистрации распределения интенсивности света и математический аппарат для восстановления структуры вторичного источник света [2, 3].
Установка и программное обеспечение для регистрации распределения излучения зонда в дальнем поле
На рис. 1 показана схема измерительной установки. Лазерное излучение (X = 680нм ) фокусируется с помощью линзы (микрообъектива) и направляется в зонд, который находится на расстоянии к от центра ПЗС матрицы, расположенной перпендикулярной его оси. Зонд и ПЗС матрица при работе расположены в закрытой коробке с целью ликвидации шумовых сигналов. Результат измерения выводится на экран компьютера.
л
Лазер
¥
Объектив
Зонд
ПЗС матрица
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для регистрации излучения от зонда
в дальнем поле
Для расширения диапазона регистрируемых освещенностей и устранения нелинейной световой характеристики ПЗС матрицы было разработано алгоритмическое и программное обеспечение, которое основано на регистрации серии фотоснимков пятна рассеяния, полученных последовательно на одном и тоже фотоприемнике с переменным временем экспозиции для получения совокупности фотометрических сечений, соответствующих различным уровням распределения освещенности в дальнем поле. Из каждого фотометрического сечения формируется контур, который называется изофотой.
Из системы изофот можно получить карту распределения освещенности в пятне рассеяния (рис. 2). Такой метод назван методом изофотометрии с изменяющимся временем накопления [6]. Диапазон регистрации освещенности по данному методу не зависит от протяженности рабочего участка световой характеристики фотоприемника, а
3 5
зависит от диапазона изменения времени накопления, который составляет 10 - 10 . В экспериментальной установке была использована матричная видеокамера VAC-135 с диапазоном относительного времени накопления свыше трех порядков (1 ^ 2047).
Е = 1
0,5 0,25 0,125
Сечения
Изофоты
h
Рис. 2. Схема метода изофотометрии с переменным временем накопления
и вид изофотограммы
На рис. 3 показано алгоритмическое решение компьютерной версии изофотомет-рии с переменным накоплением. В исходном состоянии параметр "exposure" камеры установлен на минимальное значение tj, а чувствительность камеры отрегулирована так, что световое поле в дальней зоне формирует изображение, дающее изофоту в виде точки (первая изофота). Эта изофота соответствует максимуму освещенности Еотн\, которое принимаем равным единице.
Да
График трехмерного распределения освещенности и массив данных
( Конец)
Рис. 3. Алгоритмическое решение компьютерной версии изофотометрии
с переменным накоплением
В процессе измерения, после установки увеличенного времени экспозиции 12 = к ■ t1, программа выполняет регистрацию последующей фотографии и вводит ее в модуль выделения изофоты. Эта изофота является контуром фотометрического сечения, соответствующего новому уровню относительной освещенности Еотн2 = t1l t2.
Таким образом, Еотн п = 1 / готн п = ^ / гп, поэтому помещаем изофоту в систему координат на уровень Еотн п и записываем его в память. Когда ^ превышает максимальное
значение 1тах для ПЗС- камеры, работа программы заканчивается, и на мониторе получается графическое отображение всей суммы изофот распределения освещенностей.
В результате запоминания ряда фотометрических сечений и построения в пространственных координатах их исходного взаимного расположения формируется трехмерное распределение освещенности в дальнем поле.
Результат измерения
При регистрации распределения интенсивности излучения зонда в дальнем поле были получены разные картины распределения с особенностями, соответствующими различным зондам. Результаты измерения представлены на рис. 4.
Рис. 4. Зонды и соответственно полученные картины пятна, регистрируемые на расстоянии 4 мм от зонда: а) внешний вид зондов; б) картины распределения освещенности в дальнем поле; в) кривые распределения
освещенности по двум сечениям
Из этих картин мы можем сделать некоторые выводы.
• Изгиб острия (зонд 1 на рис. 4) оказывает влияние на распределение интенсивности таким образом, что половина картины имеет низкую интенсивность.
• Эллиптическая апертура приводит на картине распределения интенсивности двух лепестков с повышенной интенсивностью, которые направлены перпендикулярно большому радиусу эллипса (зонд 2 на рис. 4).
• Лучшее распределение дает зонд 3, который имеет круглую и симметричную апертуру, что проявляется в круглой и симметричной картине распределения.
Оптический метод определения формы и размера апертуры зонда по распределению излучения в дальнем поле
Как уже сказано, качество зонда имеет большое значение в разрешении и качестве изображения, полученного в ближнепольном оптическом микроскопе. Поэтому знание параметров его апертуры составляет важную задачу. При определении размера апертуры зонд нельзя различить в обычный оптический микроскоп, а другие методы микроскопии высокого разрешения (электронная сканирующая микроскопия или атомно-силовая микроскопия) не могут дать однозначной информации об апертуре вследствие неоптической природы процессов наблюдения. Обычно зонд тестируют прямо на ближнепольном микроскопе, сканируя тест-объект. Этот метод требует сложной и дорогой техники. Более простым и оперативным методом представляется метод определения размера и качества апертуры по распределению излучения в дальнем поле [3, 4].
Излучение, проходящее через субволновую апертуру, имеет две составляющие. Первая составляющая, соответствующая высокой частоте в пространственном спектре источника, является эванесцентной волной, которая быстро затухает. Вторая составляющая, соответствующая низкой частоте в пространственном спектре источника, является излучающей волной, которая может распространяться [5]. Регистрируется излучающая волна, и по ее распределению в дальнем поле вполне возможно определить распределение этой волны в апертуре путем решения обратной задачи, от чего можно определить ее форму и размер.
Рис. 5. Результаты восстановления светового поля в апертурах зондов, показанных на рис. 4 а) световые поля в апертурах зондов; б) соответствующие профили распределения полей в центре апертур
В работах [3, 8] был разработан метод сверхразрешения для восстановления светового поля в плоскости апертуры, которая служит вторичным источником для излучения в дальней зоне. Однако алгоритм восстановления в этих работах требует процесса итерационного расширения спектра с помощью полиномов Цернике для восстановления спектра за предел регистрируемой (видимой) области. Это не позволяет избежать субъективных погрешностей при выборке методов итерации.
Как уже говорилось, ПЗС-матрица, управляемая с помощью программного обеспечения, написанного на основе метода изофотометрии, имеет расширенные возможности и может регистрировать большой диапазон пространственно-частотного спектра. Таким образом, нам не требуется итерационное расширение спектра. Регистрируемые распределения интенсивности в дальней зоне могут прямо использованы для восстановления светового поля в апертуре. Распределения интенсивности представлены на рис. 4.
По алгоритму восстановления параметров субдлинноволновых вторичных источников света, представленному в [7], было разработано программное обеспечение для математического моделирования. Результат восстановления показан на рис. 5. Из профилей распределения поля в апертуре можно определить размер апертур. Например, на уровне 0.1 относительной интенсивности размеры апертур составляют соответственно 180, 150 и 210 нм.
Выводы
1. Экспериментально показано, что изучение распределения интенсивности излучения зонда в дальнем поле может быть полезным для характеризации БОЗ. С использованием этого распределения определен размер апертуры БОЗ.
2. Разработано программное обеспечение для реализации метода компьютерной изофотометрии путем управления режимами ПЗС-камеры для регистрации серии кадров с переменным временем экспозиции.
3. Разработан пакет программ для обработки данных изофотометрии и определения параметров поля в зоне апертуры зонда, что позволяет судить о размере и качестве апертуры зонда.
Литература
1. Heinzmann, D. W. Pohl. Scanning Near-field optical microscopy // Applied. Physics. A. 1994 - Vol.59. - P. 89-101.
2. Christian Obermuller, Khaled Karrai. Far field characterization if diffracting circular apertures // Appl. Phys. Lett. - December 1995. - 67 (23). - p. 3408-3410.
3. Вейко В.П., Вознесенский Н.Б., Гусев А.Е., Иванова Т.В., Родионов С.А. Возможность определения параметров вторичных источников света, меньших длины волны, по характеристикам дальнего поля // Оптический журнал. - 1998. - Т. 65. - № 10. -С. 49-53.
4. Вознесенский Н. Б. . Математическое моделирование процессов распространения и дифракции света в наноструктурах // Сборник материалов всероссийского совещания "Зондовая микроскопия-2000". Нижний Новгород. 28 февраля-2 марта 2000 г. C.142-146.
5. D. J. Shin, A. Chavez-Pirson, S. H. Kim, S. T. Jung, and Y. H. Lee. Diffraction by a sub-wavelength-sized aperture in a metal plane. // J. Opt. Sco. Am. A. - July 2001. - Vol. 18, - No 7.
6. Кирилловский В.К. Оптические измерения Часть 4. Оценка качества оптического изображения и измерение его характеристик. - СПб: СПб ГУ ИТМО,. 2005.
7. Иванова Т. А. Разработка математических методов моделирования и восстановления характеристик субдлинноволновых вторичных источников света // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб ГУ ИТМО. 1999.
8. Veiko V.P., Voznessenski N.B., Domnenko V.M., Ivanova T.V., Rodionov S.A., Goussev A.E. A new approach to analysis of subwavelength sized secondary light sources. // Proceedings of SPIE - Vol. 3467. - 1998.
