Методика измерения с помощью растрового микроскопа

Автором была предложена, методика измерения высот неровностей и степени шероховатости с помощью растрового микроскопа. Если на исследуемую поверхность проектировать ряд близко отстоящих друг от друга штрихов в виде чередующихся светлых и темных промежутков, так чтобы в пределах длины волны неровности их размещалось достаточно большое число, то в зависимости от характера неровностей расстояния между изображениями соседних штрихов будут меняться. Если исследуемая поверхность совершенно плоская и не имеет неровностей, то изображения штрихов растра будут эквидистантными.

В случае же незначительных отступлений поверхности от плоскости расстояния между штрихами станут неравномерными: в местах, где штрихи растра проектируются на склоны неровностей, обращенные к проектируемому пучку, расстояния между соседними штрихами будут меньшими, а на склонах, обращенных в противоположном направлении, эти расстояния будут большими. Таким образом, частота изображений штрихов растрового поля в плоскости объекта будет переменной и зависимой от конфигурации неровностей.

По схеме видно, что изменение расстояния между изображениями штрихов растра пропорционально высотам неровностей. Можно сделать так, что при рассматривании в микроскоп изображения растра на поверхности сами штрихи растра не будут заметны, так как расстояния между ними слишком малы, но искажение в распределении штрихов в поле может стать заметным, если изображение участка поверхности со спроектированной на нее системой штрихов растра наложить на другой растр, расположенный в фокальной плоскости окуляра.

Эти изменения частоты изображений штрихов растра зависят от угла между плоскостью исследуемой поверхности и направлением оптической оси проектирующей системы, а также от расстояния между штрихами растра.

Переналожения изображений штрихов

Второй растр должен представлять собой равноотстоящие друг от друга штрихи с номинальным расстоянием между ними, равным, где линейное увеличение объектива микроскопа, расстояние между изображением штрихов первого растра в плоскости объекта.

Переналожения изображений штрихов первого растра со штрихами второго дает так называемую муаровую картину, тождественную профилю поверхности в направлении, перпендикулярном штрихам растра. Преимуществом такой системы исследования является то, что проектируемый растр можно локализовать в строго определенном линейном направлении и получить изображение профиля поверхности в соответствии с основным его определением, т. е. в плоскости, перпендикулярной исследуемой поверхности.

Эта плоскость совпадает с плоскостью падения и отражения световых пучков, определяемой направлением оптических осей проектирующей и наблюдательной систем, и поэтому профиль поверхности не будет искаженным, как в случае теневой проекции или светового сечения, когда профиль поверхности наблюдается в направлении, перпендикулярном плоскости падения и отражения пучков. Это преимущество позволяет использовать растровый микроскоп для исследования поверхностей с ненаправленным расположением неровностей.

Вследствие определенного расположения щели и сетки в осветительной системе микроскопа изображение получается резким на всем участке исследуемой поверхности. Форму щели и расстояние между штрихами рассчитывают так, чтобы после проекции на поверхность они были эквидистантными, а изображение щели прямым и одинаковой ширины на всем протяжении. При освещении щели белым источником света через конденсор на поверхности исследуемого объекта получается изображение чередующихся коротких и узких участков освещенной щели.

Штрихи растровой сетки

Если проектируемый растр будет представлять собой чередование весьма коротких отрезков щели, то область исследуемого участка ограничится по длине узкой полоской, равной выбранной величине базы, и по ширине, определяемой величиной изображения щели. Оптическая схема макета растрового микроскопа. Штрихи растровой сетки пересекают совмещенную с сеткой узкую и длинную щель так, что она оказывается перекрытой большим числом непрозрачных штрихов растра.

Используя для проекции микрообъектив, можно получить изображение растра в уменьшенном масштабе, чтобы расстояние между штрихами в плоскости объекта было равно всего нескольким микрометрам. Таким способом на исследуемой поверхности проектируется весьма мелкая растровая сетка с почти точечными участками вдоль линии наблюдения. Затем под некоторым углом или перпендикулярно поверхности наблюдают искаженное распределение растровых элементов вдоль щели.

Чтобы иметь возможность наблюдать муаровые полосы переналожения двух растров, необходимо с помощью объектива и зеркала спроектировать изображение растра на поверхности в наблюдательную систему. Увеличение проекции в направлении, перпендикулярном изображению щели, должно значительно отличаться от увеличения вдоль щели. Для этой цели использована цилиндрическая линза.

Тогда в фокальной плоскости окуляра наблюдается система последовательно расположенных изображений длинных штрихов, причем расстояния между ними будут различными, если на поверхности имеются неровности, попадающие в сечение, определяемое расположением на ней изображения щели. Если теперь в фокальной плоскости окуляра расположить растр, шаг которого (расстояние между штрихами) номинально будет равен размеру изображения первой растровой сетки, то в этой же плоскости можно видеть муаровые полосы.