Возможность исследования тонких поверхностей

Поэтому естественно, что возможность исследования тонких поверхностей с неровностями высотой порядка 0,02-0,1 мкм при расстоянии между ними 0,1 – 1 мкм с помощью интерференционного микроскопа, обладающего ограниченной апертурой, ставится под сомнение. Действительно, когда изучаемые микронеровности представляют собой чередование достаточно пологих выступов и впадин, т. е. когда расстояния между неровностями значительно превышают их глубину, искажение, вносимое явлением дифракции света, вследствие ограниченной апертуры оптической системы невелико.

Если же мы хотим изучать микронеровности, расстояния между которыми близки к пределу разрешения оптической системы, то измеряемые высоты неровности и характер микропрофиля не будут соответствовать действительным. Применение объективов с большой апертурой в существующих конструкциях приборов технически весьма затруднительно, а использование объективов с иммерсией весьма сложно. Более подробно роль апертуры объективов микроинтерферометра далее.

Основным недостатком микроинтерферометра является невозможность исследования поверхностей с нерегулярными следами обработки, так как при наблюдении таких поверхностей интерференционная картина получается сложной и расшифровать ее весьма трудно. В. П. Линник предложил другой интерференционный прибор – микропрофилометр. В отличие от микроинтерферометра, здесь за один прием рассматривается не площадка на исследуемой поверхности, а отрезок узкой линии вдоль изображения светящейся щели.

В 1948 г. А. Н. Захарьевский предложил оптическую систему микроинтерферометра, в которой использован лишь один микрообъектив. Соответственные разделенные пучки идут по одним и тем же направлениям и проходят одни и те же оптические детали системы.

Интерференционные полосы

Это значительно упрощает технику выполнения основных требований, направленных на получение равных разностей хода пучков, идущих под различными углами, и позволяет сделать систему более удобной и более компактной. С помощью оптической системы микропрофилометра получаются интерференционные полосы, искривление которых соответствует изменению профиля поверхности в рассматриваемом сечении. При этом направление следов обработки на исследуемой поверхности не играет существенной роли. Недостатком микропрофилометра по сравнению с микроинтерферометром является большая сложность оптической схемы и значительно меньшая освещенность наблюдаемой картины.

Эта пластинка установлена так, что одна часть сходящегося пучка лучей направляется на исследуемый участок поверхности, а другая часть отражается обратно и собирается на пластинке, играющей роль относительной и имеющей в центре участок зеркального покрытия, который отражает пучок на разделительную пластинку. Размеры зеркального покрытия не превышают линейной величины поля зрения микрообъектива, и оно закрывает небольшую центральную часть зрачка.

На пути этих лучей между микрообъективом и исследуемой поверхностью (передний отрезок микрообъектива должен быть достаточно большим) расположена разделительная система, представляющая собою плоскую пластинку со светоделительным слоем, коэффициент отражения которой обеспечивает интерферирующие пучки приблизительно равной интенсивности. Если разности хода этих пучков равны или близки к нулю, то можно наблюдать явление интерференции в белом свете.

Принцип действия предложенного микроинтерферометра, схема которого позже была реализована заграничными фирмами и значительно позже запатентована Миро, сводится к следующему.

Эффективная апертура интерферирующих пучков

Пучок лучей от осветительной системы направляется икрообъективом на исследуемую поверхность. При некотором небольшом угле наклона исследуемой поверхности по отношению к оптической оси системы будут наблюдаться интерференционные полосы равной толщины, локализованные в плоскости самого объекта. Пучки, отраженные от разделительной пластинки при их обратном ходе, собираются там же микрообъективом и попадают затем в наблюдательную систему с помощью зеркала. Такой микрообъектив вследствие указанного способа разделения пучков дает возможность использовать всю его апертуру. Изображение штрихов дифракционной решетки (решетка имела 600 штрихов на 1 мм) получилось вполне четким.

Эффективная апертура интерферирующих пучков соответствует полной расчетной апертуре микрообъектива. Кроме того, следует учесть, что требования к аберрациям и толщине линз микрообъектива предъявляются менее жесткие, чем в случае применения двух микрообъективов, располагаемых в разных ветвях интерферометра. Исследованиями А. Н. Захарьевского, В. А. Панова и А. Ф. Кузнецовой подтверждено, что с помощью предложенного микрообъектива с апертурой 0,5 легко получить разрешающую способность системы и контрастность интерференционных полос, соответствующую полной расчетной апертуре.

При наблюдении с обычным микроинтерферометром трудно заметить столь тонкую структуру объекта, так как приходится диафрагмировать осветительную апертуру, что ведет фактически к снижению эффективной апертуры интерферирующих пучков. С предложенным микрообъективом были получены даже фотографии штрихов дифракционной решетки, имеющей 1200 штрихов на 1 мм.

Сравнение данных о глубине и форме штрихов

Однако в этом случае картина оказалась более размытой, и, как указывают авторы, создалось значительное расхождение (до 100%) с расчетными данными измерений, сделанных по интерференционной картине (глубины штрихов). Поэтому и выполнить такой микрообъектив несколько проще. На этом изображении можно заметить форму неровностей, т. е. профиль штриха, и измерить глубину штрихов. Сравнение данных о глубине и форме штрихов, полученных опытным путем и на основе расчета по известным сведениям о форме резца, с помощью которого нарезалась решетка, показывает хорошую сходимость.

При этом расстояние между штрихами составляло всего лишь 1,5, где е – предел разрешения при данной апертуре, а в первом случае (для решетки с 600 штрихами на 1 мм) оно было равно 3. Применение однообъективного микроинтерферометра А. Н. Захарьевского, возможно, позволит расширить пределы применения микроинтерферометрического метода для измерений меньших неровностей.

Автор настоящей работы применил к микроинтерферометру Линника добавочное приспособление в виде клинового компенсатора и этим расширил область использования метода – измерения высот неровностей до 30-40 мкм, в особенности поверхностей с регулярным профилем. Принцип действия этого приспособления основан на компенсации с помощью воздушного клина разности хода световых пучков, отраженных от отдельных участков поверхности, лежащих на разных высотах.

Как известно, интерференционную картину в поле зрения прибора в белом свете можно наблюдать только в тех местах, где разность хода интерферирующих лучей невелика. Если высоты неровностей превышают несколько микрометров, то в окуляр можно наблюдать интерференцию либо от участков выступов, либо от участков впадин на поверхности.