Способ коррекции дифференциального хроматизма в двухволновом оптическом интерферометре Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681.723.26:681.786.5

СПОСОБ КОРРЕКЦИИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ХРОМАТИЗМА В ДВУХВОЛНОВОМ ОПТИЧЕСКОМ ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ

Евгений Владимирович Сысоев

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]

Родион Владимирович Куликов

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]

Предложено использовать дихроический оптический элемент для коррекции дифференциального хроматизма в двухволновом оптическом интерферометре. Элемент выполнен в виде плоско-параллельной пластинки определенной толщины, установленной в одно из плеч интерферометра. Показано, что разность положений максимумов коррелограмм для двух длин волн, которые соответствуют нулевой разности оптического хода света в опорном и измерительном плечах интерферометра, можно сделать существенно меньше используемых длин волн.

Ключевые слова: интерферометр, двухволновая интерферометрия, измерение нанорельефа.

THE DIFFERENTIAL CHROMATISM CORRECTION METHOD IN THE TWO-WAVE INTERFEROMETER

Evgeny V. Sysoev

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Ph. D., tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]

Rodion V. Kulikov

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Junior Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: [email protected]

The using of dichroic optical element for differential chromatism correction in the optical two-wave interferometer has been proposed. This element was designed as a parallel-sided plate of the specified thickness placed in interferometer arm. It was shown that the difference in the position of correlograms maximum for two wavelengths corresponding to zero optical path difference of light in the reference and measurement arms of interferometer can be significantly less than the used wavelengths.

Key words: interferometer, two-wavelength interferometry, nanorelief measurements.

Интерференционные измерения нанорельефа поверхности основаны на

расчете фазы автокорреляционной функции интерферирующих волн [1]. В

процессе измерения производится сканирование путем изменения разности

фаз интерферирующих волн и регистрируется изменение интенсивности

1

света в каждой измеряемой точке (коррелограмма). Погрешность измерений существенно зависит от отношения сигнала к шуму, определяемому видностью интерференционных полос. Для расширения диапазона измерений [2] и решения других задач в интерферометрах часто используется несколько длин волн света. При этом схема интерферометра становится более сложной, и возрастают требования к оптическим элементам. Одна из проблем, которая возникает при использовании в интерферометре нескольких источников излучения с разными длинами волн.

Неодинаковый коэффициент преломления оптических элементов, через которые проходит свет, приводит к тому, что максимумы коррелограмм соответствующие нулевой разности хода для каждой длины волны сдвинуты на некоторую величину друг относительно друга - дифференциальный хроматизм (ДХ). Наличие ДХ усложняет проведение прецизионных измерений, особенно в случае, когда сдвиг между максимумами коррелограмм превышает длину когерентности одного из используемых источников излучения.

Целью данной работы является устранение ДХ. Для этого предложено установить в одно из плеч интерферометра дихроичный элемент в виде плоско-параллельной стеклянной пластинки.

На рис. 1 представлена оптическая схема интерферометра Линника с двумя источниками излучения. Схема включает в себя два источника света 1 и 2 с длинами волн и Я2, светоделитель 3, коллимирующий объектив 4, светоделитель 5, два микрообъектива с идентичным увеличением 6 и 9, опорное зеркало 7, пьезоэлектрический актюатор 8, объект измерения 10, тубусную линзу 11 и ПЗС матрицу 12.

Рис. 1. Схема интерферометра Линника Толщина плоскопараллельной пластины, корректирующая дифференциальный хроматизм, определяется при помощи зарегистрированных для двух длин волн коррелограмм.

2

На рис. 2 показано опорное и измерительное плечо интерферометра (рис. 1). Плоскости 10 и 10' обозначают положения поверхности объекта измерения, для которых будет регистрироваться максимум интерференции на длинах волн и Я2, соответственно. После установки компенсационной плоско-параллельной пластины в одно из плеч интерферометра, положение поверхности объекта для которого регистрируется максимум интерференции на длинах волн и Я2 должно быть одинаково (плоскость 10").

Рис. 2. Опорное и измерительное плечо интерферометра Линника: положения поверхности объекта измерения

Толщина d компенсационной плоскопараллельной пластины определяется из системы уравнений:

2 • d • п(Я\) = Аг + 82 2 • d • п(Я2) = 82

d, 2 • Ап

где А2 - смещение между максимумами коррелограмм зарегистрированных на длинах волн Я} и Я2 без установки компенсационной плоскопараллельной пластины, величина А2 + 82 - смещение максимумов коррелограмм для длин волн Я1 и Я2 после установки компенсационной плоскопараллельной пластины, Ап = п(Я\) - п(Я2) - разница показателей преломления

компенсационной плоскопараллельной пластины.

На рис. 3 показаны экспериментальные результаты коррекции дифференциального хроматизма. Регистрация коррелограмм выполнялась в

интерферометре Линника с двумя источниками излучения Х\ = 631,4 нм и Я2 = 476,7 нм. В опорном и измерительном плече интерферометра использовались микрообъективы Olympus MPLFLN 5х. Для компенсации дифференциального хроматизма была использована пластинка толщиной 0,18 мм, материал пластинки К8. Исходное положение максимумов коррелограмм показано на рис. 3, а, скорректированное - на рис. 3, б.

4000

0 номер пикселя 1700

а б

Рис. 3. Экспериментальные результаты: а - исходное положение коррелограмм, б - скорректированное положение коррелограмм

Из рис. 3 видно, что использование компенсационной стеклянной пластинки позволило снизить разность положений максимумов коррелограмм почти на порядок - с ~3,32 мкм до ~0,26 мкм.

Заключение

Показано, что использование оптического элемента в виде плоскопараллельной пластинки определенной толщины, устанавливаемой в одно из плеч интерферометра Линника, позволяет устранить разность оптического хода при использовании двух длин волн.

Результаты данной работы могут быть использованы при проектировании прецизионных интерференционных оптических систем с несколькими источниками частично-когерентного света.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сысоев Е. В. Метод частичного сканирования коррелограмм для измерения микрорельефа поверхностей // Автометрия. - 2007. - Т. 43. - № 1. - С. 107.

2. Niehues J., Lehmann P., Bobey K. Dual-wavelength vertical scanning low-coherence interferometric microscope // Applied Optics. - 2007. - Vol. 46. - Issue 29. - P. 7141-7148.

© Е. В. Сысоев, Р. В. Куликов, 2014