ИЗОБРАЖАЮЩИЙ МИКРОЭЛЛИПСОМЕТР
IMAGING MICROELLIPSOMETER

Предлагаемое изобретение относится к области когерентной преимущественно лазерной микроскопии и микроэллипсометрии, использующей для изучения морфологии и пространственного распределения оптических материальных параметров (ОМП) объектов все физические параметры света, а именно амплитуду, фазу и поляризацию, а точнее к устройству оптических фазово-поляризационных приборов для таких измерений.
Предлагаемое изобретение позволяет с высоким пространственным разрешением определять пространственное распределение коэффициента преломления приповерхностного слоя изотропных и анизотропных объектов, ориентацию оптических осей и коэффициенты преломления двулучепреломляющих материалов, распределение намагниченности и внутренних напряжений, а также магнитной оптической активности.
Предлагаемое изобретение может быть использовано:
- в биомедицинских исследованиях, поскольку многие биологические структуры, имеющие волокнистое или слоистое строение, обладают ярко выраженной оптической анизотропией, такие, например, как кожа, мышечная и нервная ткань, микротрубки, митохондрии и другие клеточные органеллы;
- в материаловедении, особенно для исследования композитных материалов, монокристаллов, керамик, ситала и металлов, а также материалов с особыми электрофизическими свойствами, в частности магнитных сплавов и пленок;
- в системах защиты ценных бумаг и других документов от подделки и в криминалистике, для идентификации индивидуальных черт микро и наноструктуры материалов.
Известен поляризационный микроскоп, включающий источник света, поляризационные элементы, объектив, окуляр и исследуемый объект (заявка РФ №2008127133, кл. G02B 21/00, 2008 г.).
Известное устройство позволяет получать данные об оптической анизотропии объектов, но в которых полностью отсутствует фазовая информация об объекте.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является изображающий микроэллипсометр, включающий источник когерентного освещения с коллиматором и пространственным фильтром, светоделитель, управляемую полуволновую пластинку, четвертьволновую пластинку, поворотное зеркало, микрообъектив с фронтальной линзой, расположенный под микрообъективом предметный столик, фазовый модулятор, выполненный в виде зеркала, снабженного механизмом перемещения, например пьезоприводом, по крайней мере, один фотоприемник и проекционную систему линз (см. патент РФ 2181498 по кл. G02B 21/00, 2001 г.).
Такой микроэллипсометр на равных основаниях исследует и фазовые, и поляризационные эффекты, а также их взаимосвязь, что позволяет получать семейство фазовых портретов, соответствующих каждой из независимых поляризаций объекта при различных состояниях поляризации освещения.
Известный микроэллипсометр работает с высоким пространственным разрешением.
При помощи такого устройства можно получать истинный физический рельеф поверхности объекта и одновременно распределения оптических материальных параметров (ОМП) приповерхностного слоя объекта (именно, коэффициенты преломления и параметры оптической анизотропии).
Известное устройство обладает повышенным по сравнению с классическим амплитудным микроскопом латеральным пространственным разрешением и исключительно высоким разрешением по высоте.
Однако недостатком известной конструкции является невысокая точность определения ОМП.
Основной причиной низкой точности определения оптических материальных параметров является наличие в оптической схеме конструкции двух микрообъективов, содержащих большое количество линз, проходя каждую из которых дважды, свет пересекает четырехкратное по сравнению с числом линз микрообъективов криволинейных поверхностей.
При этом неизбежно многократно снижается первоначальная экстинкция света, приходящего на фотоприемник, что и снижает точность определения ОМП, тогда как в классическом безлинзовом эллипсометре оба луча: и падающий на объект, и отраженный от него, проходят только через небольшое количество плоских поверхностей и, как следствие, сохраняют высокую экстинкцию, что позволяет с высокой точностью определять поляризационное состояние света, рассеянного объектом, которая обеспечивает высокую точность определения оптических материальных параметров.
Кроме того, поскольку в фазовых изображениях неразрывно отражаются свойства геометрии поверхности объекта и его ОМП, выделение данных по ОМП требует специальных вычислений и точность такого выделения страдает от низкой точности поляризационных данных.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание изображающего микроэллипсометра, позволяющего увеличить точность определения поляризационных параметров света, рассеянного объектом, и, как следствие, увеличить точность определения ОМП, а также исключить влияние на точность определения ОМП геометрического рельефа поверхности.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что в изображающем микроэллипсометре, включающем оптически связанные источник когерентного освещения, элемент управления плоскостью поляризации, микрообъектив, предметный столик с объектом измерения и интерференционный блок формирования изображения, неполяризующий светоделитель установлен с возможностью направления излучения источника когерентного освещения через микрообъектив на объект измерения и с возможностью направления отраженного излучения с выхода микрообъектива на интерференционный блок формирования изображения.
При этом микрообъектив, предметный столик с объектом измерения и интерференционный блок формирования изображения расположены на одной оптической оси, микрообъектив и предметный столик - с одной стороны неполяризующего светоделителя, а интерференционный блок формирования изображения - с противоположной стороны, при этом источник когерентного освещения и ловушка-поглотитель расположены по разные стороны неполяризующего светоделителя на оптической оси, перпендикулярной оптической оси микрообъектива и пересекающей ее в неполяризующем светоделителе.
В другом варианте исполнения микрообъектив, предметный столик с объектом измерения и источник когерентного освещения расположены на одной оптической оси, микрообъектив и предметный столик - с одной стороны неполяризующего светоделителя, а источник когерентного освещения - с противоположной стороны, при этом интерференционный блок формирования изображения и ловушка-поглотитель расположены по разные стороны неполяризующего светоделителя на оптической оси отраженного луча, перпендикулярной оптической оси микрообъектива и пересекающей ее в неполяризующем светоделителе.
Причем фронтальная линза микрообъектива выполнена с фокальной плоскостью, совпадающей с фронтальной поверхностью фронтальной линзы.
При этом между источником когерентного освещения и неполяризующим светоделителем последовательно установлены управляемая полуволновая пластинка и коллиматор.
Во всех вариантах исполнения интерференционный блок формирования изображения может содержать второй неполяризующий светоделитель и поляризующий светоделитель, двойное угловое зеркало, фазовый модулятор в виде плоского зеркала с механизмом перемещения, поворотное зеркало, проекционную систему и ловушку-поглотитель, при этом на входной оптической оси интерференционного блока формирования изображения установлены последовательно первая линза проекционной системы, поляризующий светоделитель и двойное угловое зеркало, на оптической оси фотоприемника последовательно расположены вторая линза проекционной системы, второй неполяризующий светоделитель и установленное под углом 45° поворотное зеркало, через которое оптическая ось фотоприемника связана с перпендикулярной осью поляризующего светоделителя и с установленной за ним четвертьволновой пластинкой и фазовым модулятором, причем поляризующий светоделитель через двойное угловое зеркало связан с вторым неполяризующим светоделителем, на противоположной стороне которого установлена ловушка-поглотитель.
Причем механизм перемещения фазового модулятора выполнен в виде пьезопривода.
При этом двойное угловое зеркало выполнено в виде пентапризмы, установленной с возможностью его перемещения вдоль биссектрисы угла между его двумя сторонами.
Линзы, формирующие проекционную систему прибора, могут быть размещены различным образом в зависимости от технологических требований.
В вышеизложенном варианте линзы размещают между вторым светоделителем и фотоприемником и между первым светоделителем и поляризующим светоделителем, что обеспечивает за счет совместного прохода через них обеих поляризационных составляющих, полную компенсацию возникающих при этом фазово-поляризационных искажений.
В другой реализации изображающего микроэллипсометра в проекционную систему введены первая и вторая дополнительные линзы, размещенные соответственно на выходах поляризующего светоделителя на его перпендикулярных оптических осях, и третья и четвертая дополнительные линзы, размещенные соответственно на входах второго неполяризующего светоделителя на его перпендикулярных оптических осях.
Попарно идентичные элементы проекционной системы могут быть соответственно размещены между поляризующим светоделителем и поворотным зеркалом и между поляризующим светоделителем и двойным угловым зеркалом или пентапризмой (первая пара) и между поворотным зеркалом и вторым светоделителем и соответственно между двойным угловым зеркалом или пентапризмой и вторым светоделителем (вторая пара), причем оптический путь от каждого из указанных парных элементов до второго светоделителя одинаков.
Такое размещение элементов проекционной системы расширяет возможность выбора схемы проекционной системы, однако не обеспечивает полной компенсации при проходе через них фазово-поляризационных искажений, приобретенных каждой из поляризационных составляющих. Однако ввиду длиннофокусности указанных элементов эти искажения могут быть допустимо малы.
За счет того что фазовые искажения и поляризационные искажения компенсируются за счет совместного прохода поляризационных компонент через изображающую оптическую систему, удается существенно улучшить точность измерения параметров оптической анизотропии при сохранении повышенного пространственного разрешения, присущего фазовой микроскопии.
Предлагаемый изображающий микроэллипсометр позволяет выделять анизотропные структуры на фоне и в толще изотропного материала, который не дает вклада в сдвиг фазы между двумя поляризациями.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием конструкции и чертежами, где
на фиг.1 приведена схема предлагаемого изображающего микроэллипсометра с оптимальной схемой размещения элементов проекционной системы;
на фиг.2 приведен пример другого исполнения предлагаемого изображающего микроэллипсометра, в котором источник когерентного освещения расположен на одной оси с микрообъективом, а дополнительные и/или замещающие парные элементы проекционной системы размещены симметрично относительно центров поляризующего светоделителя и второго светоделителя.
Изображающий микроэллипсометр состоит из источника когерентного освещения 1, пространственного фильтра 2, управляемой полуволновой пластинки 3, коллиматора 4, первого неполяризующего светоделителя 5, по крайней мере, одной ловушки-поглотителя 6, микрообъектива 7 с фронтальной линзой 8, расположенного под микрообъективом предметного столика 9 с размещенным на нем объектом 10, интерференционного блока 11 формирования изображения, который включает проекционную систему линз, поляризующий светоделитель 12, четвертьволновую пластинку 13, фазовый модулятор, выполненный в виде модуляционного зеркала 14, снабженного механизмом перемещения 15, например пьезоприводом, поворотное зеркало 16, двойное угловое зеркало или пентапризму 17, второй неполяризующий светоделитель 18, вторую ловушку-поглотитель 19, и, по крайней мере, один фотоприемник 21.
В предлагаемом устройстве проекционная система линз может состоять в зависимости от технологических возможностей и технических задач:
- из двух элементов - линзы 26 и линзы 20 (линзу 26 размещают на входе интерференционного блока 11 формирования изображения перед первым неполяризующим светоделителем 5 и поляризующим светоделителем 12, а линзу 20 - между вторым неполяризующим светоделителем 18 и фотоприемником 21). Данное размещение показано на фиг.1;
- из двух элементов - линзы 26 и линзы 20 и нескольких дополнительных и/или замещающих парных элементов проекционной системы линз (аналогичные линзы 22 и 23 расположены между поляризующим светоделителем 12 и соответственно между двойным угловым зеркалом или пентапризмой 17 и поворотным зеркалом 16 (первая пара) и аналогичные линзы 24 и 25 между вторым светоделителем 18 и соответственно поворотным зеркалом 16 и двойным угловым зеркалом или пентапризмой 17). Данное размещение показано на фиг.2.
В предлагаемом изобретении между источником когерентного излучения 1 (например, лазером), обладающим определенной поляризацией излучения, преимущественно линейной или циркуляционной, и первым светоделителем 5 установлена управляемая полуволновая пластинка 3, позволяющая контролируемым образом вращать плоскость поляризации лазерного излучения.
На неполяризующем светоделителе 5 происходит разделение луча на два взаимно ортогональных луча, из которых тот, который не испытал поворота, направляют в ловушку-поглотитель 6, предназначенную для ликвидации паразитных засветок.
В предлагаемой конструкции по направлению отклоненного на неполяризующем светоделителе 5 пучка размещен микрообъектив 7, на оси которого со стороны фронтальной линзы 8 расположен вращающийся предметный столик 9, а с противоположной светоделителю 5 стороны и на его оптической оси размещают интерференционный блок 11 формирования изображения. Данное расположение элементов отражено во втором пункте формулы изобретения и показано на фиг.1.
Поставленную техническую задачу можно решить и при ином расположении элементов.
Как показано на фиг.2, источник 1 когерентного излучения может направлять излучение непосредственно по оптической оси микрообъектива 1 через неполяризующий светоделитель 5. При этом отраженный от объекта 10 пучок, проходя через неполяризующий светоделитель 5, в виде ортогонального луча поступает на вход интерференционного блока 11 формирования изображения. Данное расположение элементов отражено в третьем пункте формулы изобретения и показано на фиг.2.
В интерференционном блоке 11 формирования изображения поляризующий светоделитель 12, пропуская пучок с одной из взаимно перпендикулярных поляризаций напрямую, поворачивает другую в сторону, например, на 90°.
Далее в направлении первого пучка, прошедшего сквозь поляризующий светоделитель 12 без поворота, размещено двойное плоское угловое зеркало или пентапризма 17 с углом между половинами зеркала в 45°, или пентапризма, причем биссектриса данного угла находится под углом 45° к оси пучка, который должен полностью попадать на одну из внутренних граней зеркала, отражаться на другую грань и менять свое направление на 90°.
Двойное плоское угловое зеркало или пентапризма 17 снабжено приводом его перемещения вдоль биссектрисы плоского угла (на чертеже не показан).
Далее по ходу указанного пучка размещают второй неполяризующий светоделитель 18, предназначенный для объединения двух взаимно перпендикулярных пучков и направления их через линзу 20 проекционной системы линз на фотоприемник 21.
Причем по ходу неотклоненного вторым светоделителем 18 пучка размещают или вторую ловушку-поглотитель 19, или на ее месте может быть размещен второй фотоприемник с линзой, аналогичной линзе 20 (на чертеже не показан).
Размещение второго фотоприемника позволяет, в частности, осуществлять обработку сигнала по двум независимым алгоритмам для получения одновременно большего объема информации об объекте.
В направлении второго пучка, испытавшего поворот на поляризующем светоделителе 12, размещают четвертьволновую пластинку 13, а за ней плоское модуляционное зеркало 14 фазового модулятора, с приводом его перемещения 15, например пьезоприводом.
Диагональ поляризующего светоделителя 12 должна быть ориентирована с возможностью отклонения соответствующей поляризации в сторону, противоположную той, в которую двойное плоское зеркало отклоняет пучок, прошедший через поляризующий светоделитель 12 без отклонения.
В направлении внешней нормали плоского зеркала 14 фазового модулятора с противоположной от указанного зеркала стороны поляризующего светоделителя под углом 45° к указанной нормали размещают плоское поворотное зеркало 16, при этом центр отражающей поверхности зеркала лежит на оси фотоприемника 21.
В предлагаемом изображающем микроэллипсометре дополнительные или замещающие элементы проекционной системы могут быть размещены так, как это показано на фиг.2.
Предлагаемый изображающий микроэллипсометр работает следующим образом.
Пучок света от источника когерентного освещения (лазер) 1, имеющий линейную поляризацию, попадает на управляемую полуволновую пластинку 3, которая поворачивает плоскость поляризации на заданный угол.
После прохождения управляемой полуволновой пластинки 3 свет попадает на светоделитель 5, причем большая часть падающего света проходит насквозь и поглощается ловушкой-поглотителем 6, остальная часть света попадает на тыл микрообъектива 7 и засвечивает исследуемый объект 10, находящийся на вращающемся предметном столике 9, линейно поляризованным светом с поляризацией, ориентированной в выбранном направлении.
После отражения от исследуемого объекта 10 свет приобретает в общем случае некоторую локальную эллиптичность.
Если разложить эллиптическую поляризацию освещения на две компоненты - параллельную плоскости рисунка S и перпендикулярную ей горизонтальную составляющую Р, то эти компоненты получат при отражении разные фазовые сдвиги.
При прохождении света, отраженного от объекта 10, через микрообъектив 7 фазовые и поляризационные искажения, вносимые в волновой фронт, будут строго одинаковы, ввиду того что из-за коренных особенностей технологии изготовления объективов симметрия их свойств относительно оси обеспечивается на очень высоком уровне.
В интерференционном блоке 11 формирования изображения на поляризующем светоделителе 12 S и Р компоненты разделяются, причем S компонента отражается направо, проходит через соответствующим образом ориентированную четвертьволновую пластинку 13 и приобретает циркулярную поляризацию, например правую, отразившись от модуляционного зеркала 14 циркулярная поляризация меняет ориентацию на левую, а проходя четвертьволновую пластинку 13 в обратном направлении, превращается в Р поляризованный пучок и проходит поляризующий светоделитель 12 насквозь.
Далее пучок с указанной вновь возникшей Р поляризацией поворачивается зеркалом 16 и попадает на второй светоделитель 18.
Пучок, прошедший поляризующий светоделитель 12 с Р поляризацией, попадает далее на двойное угловое зеркало или пентапризму 17, отражаясь от которого, он в конечном счете набирает дополнительную разность хода, которая может быть выбрана равной двойной длине оптического пути от середины поляризующего светоделителя 12 до поверхности модуляционного зеркала 14. Далее пучок с исходной Р поляризацией попадает на второй светоделитель 18, где смешивается с вновь возникшим Р пучком.
Таким образом, на фотоприемнике 21 интерферируют два пучка с одинаковой поляризацией, но, возможно, с разной фазой в каждой точке изображения.
Совместное прохождение двух поляризаций до их разделения на поляризующем светоделителе через микрообъектив при смешении на втором светоделителе позволяет полностью вычесть одинаковые фазово-поляризационные искажения, приобретенные поляризационными компонентами при их прохождении через микрообъектив, а также ввиду равенства оптических путей каждой из поляризационных компонент  исключить влияние высоты рельефа на распределение разности фаз на фотоприемнике, которая, таким образом, возникает только, если сдвиг фазы не одинаков для этих двух поляризаций, т.е определяется лишь ОМП объекта.
Совпадение фронтальной поверхности фронтальной линзы с ее фокальной плоскостью позволяет исследовать объекты контактным методом.
Выполнение предметного столика вращающимся позволяет задавать направление вектора поляризации под произвольным углом к осям, связанным с поверхностью объекта.
Предлагаемое изобретение за счет нечувствительности к рельефу объекта позволяет обойти ограничение по глубине отображения структуры, свойственное всем фазовым методам и составляющее половину длины волны света.
Таким образом, глубина отображения структуры ограничена глубиной резкости микрообъектива, которая, особенно у микрообъективов с увеличенным рабочим отрезком, может значительно превышать половину длины волны.
Были проведены испытания опытного образца устройства по обнаружению неметаллических включений в нержавеющих сплавах и их идентификации по величине коэффициента преломления.