МЕТОДОМ ДВУХЛУЧЕВОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: измерение толщины тонких пленок и шероховатости поверхности оптических деталей с помощью микроинтерферометра МИИ -4.

Все методы определения параметров профиля шероховатой поверхности можно разделить на контактную и бесконтактную группы. К первой группе относятся механические методы, в основе которых лежит ощупывание поверхности с помощью иглы, ко второй — оптические, позволяющие оценить высоту микронеровности и размеры шага. Здесь возможно использование, например, двойного микроскопа МИС 11 и микроинтерферометров МИИ-4 и МИИ - 9.

Микроинтерферометрами называют интерферометры, предназначенные для измерения высоты микронеровностей или следов обработки на металлических и других поверхностях высоких классов частоты.

В оптической схеме микроинтерферометра. использованы интерферометр и микроскоп, что позволяет одновременно осуществлять наблюдение исследуемой поверхности и интерференционной картины, полученной в результате взаимодействия двух когерентных световых волн: волны сравнения, отражённой от образцового зеркала, и волны, отражённой от исследуемой поверхности и деформированной имеющимися на ней микронеровностями. Интерференционная картина в монохроматическом свете представляет собой чередование тёмных и светлых полос, форма которых в увеличенном масштабе воспроизводит профиль контролируемого участка поверхности (рис.1)

Рис. 1.

Большинство тонких слоев на поверхности оптических деталей (оксидные пленки, металлические покрытия и др.) имеют толщину 1 мкм и менее. В этом случае она может измеряться интерференционными методами, реализованными, например, в МИИ - 4 на принципе двулучевой интерференции.

Микроинтерферометр МИИ —4 предназначен для визуальной оценки и измерения параметров шероховатости поверхности Rmax, Rz, а также для фотографирования поверхности и ее интерферограммы.

Как и при контроле формы поверхности, измерение высоты микронеровностей производят по искривлению интерференционных полос. Но оптический прибор, предназначенный для различения мелких неровностей на поверхности, должен обладать большим увеличением и высокой разрешающей способностью. Поэтому микроинтерферометры представляют собой сочетание интерферометра и микроскопа.

Оптическая схема микроинтерферометра МИИ —4 дана на рис.2.

Рис. 2. Оптическая схема микроинтерферометра МИИ – 4

Нить лампы накаливания 1 проецируется линзой 2 в плоскость апертурной диафрагмы 4, в результате чего равномерно освещается диафрагма поля зрения 5, помещенная в фокальной плоскости объектива б. Светофильтры З позволяют работать не только в белом, но и в монохроматическом свете (зеленом и оранжевом). Пластина 9 с полупрозрачным покрытием разделяет падающий на нее параллельный пучок на два пучка. Один из них собирается микрообъективом 7 на поверхности контролируемой детали 8, образуя изображение диафрагмы 5, а второй проходит через компенсационную пластину 10 и дает изображение диафрагмы 5 на поверхности зеркала 12, установленного в фокальной плоскости микрообъектива 11. После отражения от поверхностей 8 и 12 оба пучка идут обратно по прежним направлениям и соединяются пластиной 9. Объектив зрительной трубы 13 и зеркало 15 образуют два наложенных друг на друга изображения диафрагмы 5 в фокальной плоскости винтового окулярного микрометра 14. Правильная настройка прибора обеспечивает наблюдение в поле зрения окуляра системы интерференционных полос. Увеличение микроскопа, составленного из объективов 7 и 13 и окуляра 14, равно 500 , а диаметр поля зрения на поверхности 8 составляет 0,3 мм.

Получить в поле зрения окуляра полосы требуемой ширины можно двумя способами. Первый заключается в наклоне зеркала 12 или контролируемой детали 8 на некоторый угол а. Второй способ состоит в смещении микрообъектива 7 или 11 перпендикулярно оптической оси на малый отрезок.

В микроинтерферометре МИИ —4 деталь 8 кладут контролируемой поверхностью вниз на предметный стол с отверстием. При сборке прибора поверхность стола устанавливают перпендикулярно к оси объектива 7. Регулировку ширины полос в процессе работы с прибором производят микрометренным смещением объектива 11 перпендикулярно к оптической оси, а изменение направления полос — поворотом объектива вокруг его оси.

Наличие на контролируемой поверхности царапин или следов механической обработки вызывает местные искривления полос, форма которых повторяет в измененном масштабе профиль поверхности. деталь 8 устанавливают так, чтобы штрихи на ее поверхности были направлены перпендикулярно полосам. Глубину штрихов вычисляют по формуле

где а — искривление полосы на изображении штриха, а b - ширина полосы. Величины а и b измеряют с помощью окулярного микрометра:

где х1, х2, х3, х4 — отсчеты соответствующих координат полос по окулярному микрометру в соответствии с рис.2.

При этом погрешность определения отношения а/b получается примерно равной 0,05, а соответствующая погрешность измерения δh = 0,015 мкм.

В случае, показанном на рис.3, на рассматриваемом участке поверхности имеются два штриха (царапины).

Рис.3. Вид поля зрения микроинтерферометра при измерении высот микронеровностей поверхности.

На штрихе 1 имеем: а1 ≈ b и h1 = 0.27 мкм; на штрихе 2 соответственно: а2 = 0,2b и h2 = 0.06 мкм. По измеренным значениям h для ряда штрихов определяют величину Rz или Rmax, которые характеризуют шероховатость поверхности.

Если на части контролируемой поверхности присутствует пленка некоторой толщины, то неровность имеет профиль ступеньки, на которой интерференционные полосы претерпевают разрыв. для измерения высоты такой ступеньки с помощью окулярного микрометра измеряют величину разрыва полосы - расстояние а12 (рис.4) между двумя частями ахроматической (темной) полосы. Ширина полосы b будет определена точнее, если измерить расстояние между 4... 5 полосами, а затем разделить его на число k интервалов между измеряемыми полосами. Тогда

где х1, х2, х3, х4 — отсчеты соответствующих координат полос по окулярному микрометру для картины, показанной на рис.3, (Число интервалов k на рисунке — k = 4). Далее высоту ступеньки hc, вычисляют по формуле

Рис.4. Вид поля зрения микроинтерферометра при измерении высоты ступеньки.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Подготовка к работе.

1.1. Включить блок питания в сеть, а затем тумблером на блоке

питания включить лампу.

1.2. Положить на столик интерферометра контролируемый образец.

1.3. С помощью микрометрического винта 1 установить резкое изображение объекта измерений.

1.4. Перемещая столик прибора, с помощью микрометрических винтов 2, установить границу ступеньки посередине поля зрения.

1.5. С помощью рукоятки 3 открыть шторку, перекрывающую одну из ветвей интерферометра.

1.6. С помощью винта 4, поворачивая его вокруг интерференционной головки, ориентировать полосы перпендикулярно границе ступеньки. Ширина полос изменяется вращением этого винта вокруг оси.

1.7. Поворотом окулярного микрометра вокруг его оптической оси установить биштрих сетки параллельно интерференционным полосам.

2. Проведение измерений неровностей поверхности.

2.1. Вращением барабана окулярного микрометра биштрих сетки последовательно совмещают с выбранными участками интерференционных полос, подобно показанным на рис.2. и записывают их координаты отсчеты с окулярного микрометра.

2.2. По формуле (1) вычисляют высоту неровностей.

3. Проведение измерений толщины пленок

3.1. Вращением барабана окулярного микрометра биштрих сетки последовательно совмещают с выбранными участками интерференционных полос, подобно показанным на рис.3. и записывают их координаты — отсчеты с окулярного микрометра.

3.2. По формуле (2) вычисляют высоту ступеньки профиля контролируемой поверхности — толщину пленки.

Рис.5. Внешний вид интерферометра МИИ – 4.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА:

1. Оптическая схема микроинтерферометра.

2. Основные расчетные формулы.

3. Рисунки интерференционных картин с указанными на них положениями бисектора окулярного микрометра и соответствующими отсчетами координат.

4. Расчеты высот микронеровностей и толщины пленки.

5. Выводы по работе.