CC BY
171
УДК 535.421
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДИКАТРИСЫ РАССЕЯНИЯ СВЕТА СТРУКТУРИРОВАННЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ
Дмитрий Александрович Белоусов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (961)228-82-68, e-mail: [email protected]
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, заведующий лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Владимир Николаевич Хомутов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Представлены результаты разработки и апробации устройства для оперативного измерение индикатрисы рассеяния лазерного излучения в диапазоне углов до +/- 80 град. на отражение. Показана возможность измерения периодов и ориентации дифракционных структур, нанесенных на измеряемую поверхность.
Ключевые слова: дифракционная оптика, индикатриса рассеяния света, структурированная поверхность.
THE MEASUREMENT DEVICE OF THE LIGHT SCATTERING I NDICATRIX BY STRUCTURED SURFACES
Dmitrij A. Belousov
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, software engineer, tel. (961)228-82-68, e-mail: [email protected]
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Doctor of Science, head of laboratory of the diffraction optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Vladimir N. Khomutov
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, junior research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
The results of development and approbation of the devices for the fast measurement of the scattering pattern of the laser radiation in the angle range up to +/- 80 degrees in reflection are presented. The possibility of the measurement of spacing and orientation of diffractive structures deposited on the surface being measured is shown.
Key words: diffraction optics, light scattering measurement, structured surface.
Свет, отражённый от поверхности, может быть описан индикатрисой рассеянья, измерив которую можно судить о структуре рельефа данной поверхности. Это свойство используется для определения формы покрытий различных материалов. К примеру, это свойство применяется в оптике, для контроля элементов с нанесённым периодическим микрорельефом.
Многие методы контроля структуры периодических поверхностей основываются непосредственно на сканирование микрорельефа и оценки его качественных параметров: ширина штрихов, глубина микрорельефа. К таким методам относятся: методы атомно-силовой микроскопии, методы конфокальной и лазерной профилометрии, микроскопия электронным пучком [1].
Ряд автоматизированных методов для измерения индикатрисы рассеяния света на оптических элементах, с периодическим микрорельефом работают в случае измерения проходящего света. Примеры реализации таких методов описаны в работах [2] и [3]. Однако предложенные методы не позволяют измерять индикатрису рассеяния света в отражённом от объекта свете в большом диапазоне углов. Автоматизация измерения индикатрисы рассеяния в отражённом свете позволит расширить область применения этого метода, и в частности позволит осуществлять контроль периодических структур, применяемых для отражения, падающего на них излучения.
Световой поток, отражаясь от поверхности, разлагается в угловой спектр. В частности если структура элемента периодическая, то световой поток разложится на ряд дифракционных порядков. Нулевой порядок с интенсивностью 10 отразится вдоль оптической оси распространения падающего излучения, а боковые дифракционные порядки с интенсивностью распространяются под углами фк к оптической оси:
ьНФк) = V'
где к - номер дифракционного порядка, я- период штрихов решетки, Я- длина волны оптического излучения. Соответственно измеряя величину угла ф порядка дифракции к и зная длину волны падающего на микрорельеф излучения Я можно по формуле (1) получить период структурированной поверхности. Измерив интенсивности всех дифракционных порядков 1к можно рассчитать глубину и форму микрорельефа [4].
Сложность автоматизации данного процесса связана с тем, что использование стандартных рассеивающих экранов не позволяет направлять весь дифрагированный свет, расходящийся в широком телесном угле к регистрирующей видеокамере. В связи с этим, в лаборатории дифракционной оптики ИАиЭ СО РАН был разработан объёмный рассеивающий экран параболоидной формы, который позволяет направлять в сторону видеокамеры свет, отражённый от поверхности объекта в телесном угле до 850.
Разработан экспериментальный стенд для измерения индикатрисы отражённого рассеянного света, в котором источником излучения служит полупро-
водниковый лазер с длиной волны 635 нм. Схема экспериментального стенда представлена на рис. 1. Оптическое излучение лазера через отверстие в объёмном рассеивающем экране падает на исследуемый элемент, который устанавливается на X-Y координатном столике. Индикатриса рассеяния проецируется на внутреннюю поверхность объёмного экрана, рассеянный свет с которого фиксируется видеокамерой. Полученные данные обрабатываются управляющим компьютером, что позволяет получить индикатрису рассеяния света.
Рис. 1. Схема измерения индикатрисы рассеяния света:
1 - источник излучения; 2 - фокусирующая линза; 3 - видеокамера; 4 - объёмный рассеивающий экран; 5 - исследуемый объект; 6 - X-Y координатный столик
На разработанном стенде был проведён эксперимент по измерению углового распределения дифракционных порядков в отражённом свете от различных периодических структур и последующее определения периода микрорельефа этих элементов по полученным данным.
В данном эксперименте определялось углового распределения трёх элементов с периодическими структурами, период которых был измерен на WLI (white light interferometer) и равнялся s= 5 мкм, 2,5 мкм и 1,5 мкм соответственно. Для калибровки устройства использовался дифракционный элемент с периодом s=10 мкм, угловое распределение дифракционных порядков которого лежит в телесном угле 72,270. Полученное в результате измерений угловое распределение дифракционных порядков представлено на рис. 2. Вычисленный по этим данным период микрорельефа исследуемых образцов составил s=4,998 мкм, 2,499 мкм и 1,502 мкм соответственно, что согласуется с данными полученными на WLI.
-62,75
-49:75
-39.40 -30,52 -22,39 -14,80
-7.30
14,80
22.39 30.52
39.40 49,75
62.75
Рис. 2. Угловое распределение дифракционных порядков зафиксированное видеокамерой при исследовании элементов с периодической структурой: а) - 5 мкм, б) - 2,5 мкм и в) - 1,5 мкм соответственно
Показано, что разработанное устройство позволяет проводить оперативное измерение индикатрисы рассеяния лазерного излучения в диапазоне углов до +/- 80 град. на отражение. Экспериментально продемонстрирована возможность измерения периодов и ориентации дифракционных структур нанесенных на измеряемую поверхность.
Данная работ поддержана частично грантом РФФИ ОФИ-М № 4-29-07227 и междисциплинарным интеграционным проектом № 112 Сибирского отделения РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. M. T. Gale, M. Rossi, H. Schütz, P. Ehberts, H. P. Herzig, D. Pronque. Continuous-relief diffractive optical elements for two-dimensional array generation // Appl. Opt. - 1993. -№ 32. -P. 2526-2533.
2. Хомутов В. Н., Полещук А. Г., Черкашин В. В. Измерение дифракционной эффективности ДОЭ по многим порядкам дифракции // «Компьютерная оптика». - 2011. - Т. 35. -С.196-201.
3. Wenrui Cai, Ping Zhou, Chunyu Zhao, James H. Burge. Diffractive optics calibrator: measurement of etching variations for binary computer-generated holograms // Appl. Opt. - 2014. - № 53. - P. 2477-2486
4. M. Ekberg, F. Nikolajeff. Proximity-compensated blazed transmission grating manufacture with direct-writing, electron-beam lithography // Appl. Opt. - 1994. - № 33. - P. 103-107.
© Д. А. Белоусов, А. Г. Полещук, В. Н. Хомутов, 2015
