Оптичні методи НК Прямий контроль в оптичній світловій мікроскопії

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки

Кафедра ЕТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

«Оптичні методи НК. Прямий контроль в оптичній (світловий) мікроскопії »

МІНСЬК, 2008

Оптичні методи НК

Оптичний діапазон спектру, за визначенням, прийнятим Міжнародною комісією з освітлення (МКО), складають електромагнітні хвилі, довжина яких від 1 мм до 1 нм (рис. 1).

Оптичні методи НК засновані на використанні явищ відображення, поглинання, поляризації, інтерференції і дифракції світла проявляються в результаті його взаємодії з контрольованим об'єктом при отриманні інформації про стан цього об'єкта та його параметри. При виготовленні виробів мікроелектроніки застосовуються різні матеріали (метали, напівпровідники, діелектрики), які по різному взаємодіють з оптичним випромінюванням. Ця взаємодія визначається властивостями матеріалів, їх геометрією, зовнішніми умовами, а також параметрами оптичного випромінювання.

За способами отримання інформації про об'єкт оптичні методи НК поділяються на візуальні і фотоелектричні. По фізичних методів, за допомогою яких витягується інформація про контрольований об'єкті, оптичний НК можна поділяють на такі основні види: мікроскопія, інтерферометрія, спектрометрія і еліпсометрія.

Рис. 1. Оптичний діапазон спектру

Рис. 2. Взаємодія світла з контрольованим об'єктом

Теоретичні основи оптичних методів НК

Світлові коливання, як і будь-які інші електромагнітні коливання, характеризуються хвильовими і корпускулярним властивостями.

Хвильові властивості світла. Монохроматичний промінь світла представляється як плоскопараллельная електромагнітна хвиля з взаємоперпендикулярних напрямками коливань векторів електричного E  і магнітного H  полів. Причому напрями їх коливань перпендикулярні напрямку розповсюдження хвилі. Світлові коливання характеризуються: частотою  = 2  , довжиною хвилі  = c / , фазою  t, швидкістю поширення v = c / n, де  - кругова частота, вимірювана в [рад / с];  - лінійна частота, вимірюється в [гц]; c - швидкість поширення електромагнітної хвилі у вакуумі; t - час; n-показник заломлення середовища.

Оскільки основні фізико-хімічні явища, пов'язані з проявом світлових коливань, зобов'язані електричної складової E  світлових коливань, то зазвичай світло розглядають, як електричну хвилю, яка описується таким рівнянням

Е  = е  Еcos ( tо- X),

де   X = 2   (tX-tо) = 2   (x1-xО) / v = 2   nx (t) / c, - зсув фази світлових коливань, що характеризує властивості об'єкта, з яким взаємодіяла світлова хвиля в процесі його контролю (рис.2);

n = c / v - показник заломлення середовища, що характеризує ступінь уповільнення поширення світлової хвилі в аналізованій середовищі в порівнянні з вакуумом.

У загальному вигляді комплексний показник заломлення виражається як

= N - ik, де

k - коефіцієнт екстинкції, що характеризує поглинання світла в речовині,

n = ( ) 1 / 2 - дійсний коефіцієнт заломлення речовини, що визначається діелектричної та магнітної проницаемостями цієї речовини.

Таким чином, якщо проаналізувати зміна фази світлових коливань після проходження променя світла через досліджуваний об'єкт або після відбиття від нього, то можна отримати досить великий обсяг інформації про властивості цього об'єкта. На цьому і заснований принцип дії більшості оптичних методів НК. Крім фази інформацію про об'єкт контролю несе також ступінь зміни поляризації (е -вектор поляризації) і ступінь поглинання світла (амплітуда E).

Фазовий аналіз провзаімодействующего з об'єктом світлового пучка можна здійснити, використовуючи такі прояви хвильових властивостей світла, як дифракція і інтерференція.

Для звичайного некогерентного світла, при накладенні двох потоків відбувається алгебраїчне підсумовування інтенсивностей, пропорційних квадрату амплітуд коливань

E2  = E21 + E22.

При накладенні двох когерентних світлових потоків відбувається їх інтерференція - явище виникнення стоячих світлових хвиль, якi характеризуються наявністю пучностей, в яких відбувається посилення світлових коливань, і западин, в яких спостерігається зниження амплітуди світлових коливань. При цьому

E2  = E21 + E22 + 2E1 E2 cos ( 1 -  2).

При зміні різниці фаз  1 -  2 від 0 до  амплітуда світлових коливань змінюється від .

Явище інтерференції використовується в інтерферометрії, спектральних приладах, в голографічних методах контролю.

Дослідження оптичних та електричних характеристик об'єкта за ступенем зміни поляризації аналізує світлового потоку здійснюється в еліпсометрії.

Явище поглинання пояснюється корпускулярними властивостями світла. Вперше вони були виявлені при відкритті фотоефекту.

Виходячи з класичної хвильової теорії світла передбачалося, що енергія фотоелектронів, еміттіруемих металевою пластиною (цезієвий або мідної), освітлюваної пучком світла, повинна збільшуватися зі збільшенням інтенсивності світлового пучка і, навпаки, повинна зменшуватися з ростом частоти світлових коливань (з-за інерційності електронів, які мають кінцевою масою спокою). Однак, як виявилося насправді, зі зростанням інтенсивності світла енергія фотоелектронів не змінюється, а із зростанням частоти світлових коливань вона навпаки збільшується. Правда зі зростанням інтенсивності світла збільшується загальна кількість фотоелектронів.

Пояснюючи це явище, а також явище теплового випромінювання, Планк припустив, що світло поглинається і випромінюється деякими порціями і що вся енергія, випромінювана тілом, рівна цілому цих порцій - квантів з енергією, що дорівнює W = h , де h - постійна Планка.

Таким чином, енергія поглинутого кванта пропорційна частоті світлових коливань. Отже, з її зростанням енергія фотоелектронів буде збільшуватися. Від інтенсивності світла енергія кванта не залежить, а отже і енергія фотоелектронів також не залежить від інтенсивності світла. Зі збільшенням інтенсивності зростає число квантів, а отже зростає і число фотоелектронів.

Корпускулярними властивостями світла пояснюються такі оптичні явища, як поглинання світла, зовнішній і внутрішній фотоефект, суцільний спектр теплового випромінювання твердої речовини, лінійчатий спектр поглинання і випромінювання газів, люминисценция та ін

Поглинання світла в речовині підкоряється закону Бугера-Ламберта, згідно з яким амплітуда електромагнітної хвилі E, що розповсюджується в речовині у напрямку x, зменшується в е- x разів:

E (x) = Eо е- x,

де  = ln (EО/E1) = 2  k /  - показник поглинання, що характеризує ступінь поглинання світлової хвилі на одиницю її шляху в контрольованому речовині; E0 - початкова амплітуда світлових коливань; E1-амплітуда світлових коливань після проходження одиниці шляху (x = 1).

З цього виразу також випливає, що контролюючи зміна амплітуди світлової хвилі, що пройшла через досліджуваний об'єкт, можна отримати інформацію як про геометричні параметри (x) цього об'єкта (наприклад, товщини тонкоплівкових елементів), якщо відомий його показник поглинання, так і про його структуру та хімічному складі (k) використовуючи спектральні методи контролю (рис. 3).

Випромінювання світла (а точніше - електромагнітних хвиль в широкому спектрі) твердим тілом, нагрітим до деякої температури T, підкоряється закону Планка, що описує спектральну щільність абсолютно чорного тіла (АЧТ):

r (, T) = C1  -5 (еC2 /   -1) -1.

Для твердого тіла криві, описувані цим законом (рис. 4) безперервні в силу наявності великої кількості енергетичних станів атомів і молекул кристалічної решітки, електронні переходи якої дуже різноманітні за випромінюваним квантам електромагнітної енергії.

По спектру власного випромінювання нагрітого об'єкта можна безконтактним способом виміряти його температуру. На цьому засновані методи оптичної пірометрії і теплобачення.

У газоподібному і рідкому речовині електронні оболонки атомів відносно невеликі й електрони відповідно можуть знаходитися в обмеженій кількості енергетичних станів, які визначають дискретність спектру випромінюваних ними квантів енергії. Тобто спектр власного випромінювання газів і рідин зазвичай не суцільний а лінійчатий, що дозволяє легко ідентифікувати по ньому хімічний склад цієї речовини (мал. 5).

Рис. 3. Зміна коефіцієнта екстинкції k і показника заломлення n в області смуги поглинання світла (в області електронного резонансу)

Рис. 4. Безперервний спектр власного випромінювання твердих тіл з різною температурою

Рис. 5. Дискретний спектр випромінювання газів і рідин

Класифікація оптичних методів НК

Різноманітність оптичних властивостей матеріалів електронної техніки визначає і різноманітність оптичних методів, за допомогою яких підлягають оптичні властивості матеріалів.

За ступенем поширеності та застосування оптичних методів в електронній техніці необхідно, перш за все, виділити методи оптичної мікроскопії, які інтенсивно розвиваються і широко використовуються в галузі досліджень на стадії розробки і виробничого контролю напівфабрикатів, структур і виробів на різних стадіях технологічного процесу.

На другому місці стоять спектральні методи дослідження та контролю, що дозволяють отримувати інформацію про матеріали, структурах і виробах як за спектральним складом їх власного випромінювання, що виникає при нагріванні чи будь-яких діях, так і за спектральним складом випромінювання, що взаємодіє з досліджуваним об'єктом. При цьому використовуються спектри поглинання, відображення, випускання, люмінесценції.

До спектральним методам примикають інтерференційні і елліпсометріческіе методи, засновані на класичних явищах інтерференції (голографія) і поляризації світла.

Прямий контроль в оптичній (світловий) мікроскопії

Однією з різновидів оптичних методів прямого контролю є група методів оптичного порівняння зображень та виділення оптичним способом різницевого зображення. Пристрої, що реалізують цю групу методів, отримали назву оптичних компараторів. Їх принципові схеми наведені на рис. 6 і 7.

Рис. 6. Схема оптичного компаратора з «оцвечіваніем» кожного з оптичних каналів:

1 - фотоприймач або екран; 2 - об'єктив, 3 - светоделітель; 4 - дзеркало; 5 - дефектоскопіруемий об'єкт; 6 - зразковий об'єкт; 7 - блок освітлення; 8 - оптичні кольорові фільтри

Рис. 7. Оптичний компаратор з модуляцією світлового потоку в одному з каналів:

1 - фотоприймач або екран; 2 - об'єктив, 3 - светоделітель; 4 - двигун з обтюратором; 5 - дефектоскопіруемий об'єкт; 6 - еталонний об'єкт; 7 - блок освітлення; 8 - оптичний фільтр

Оптичні компаратори мають два канали, по одному з яких передається оптичне зображення від дефектоскопіруемого об'єкта, а по другому - від зразкового. Для контрастування різницевого оптичного зображення використовують три способи.

Перший з них використовує «оцвечіваніе» кожного з оптичних каналів за допомогою розрізняються за кольором фільтрів. Обидва забарвлених зображення дефектоскопіруемого і зразкового об'єктів оптично поєднуються. У місцях, де зображення повністю збігаються (ідентичні), видно незабарвлений (змішані кольори) малюнок первинного зображення, а там, де є відмінності, змішування кольору порушується і будь-яке розходження проявляється у вигляді яскраво пофарбованої області з кольором, що залежить від того, якому з первинних оцвеченних зображень належить ту ділянку, який відсутній в іншому.

У другому способі один з оптичних каналів переривається з певною частотою крильчаткою обтюратора (ріс.5.18). Тоді в різницевому зображенні розрізняються ділянки блимають з частотою переривання оптичного каналу.

Третій спосіб, який, по суті, є окремим випадком першого, полягає в поєднанні позитивного і негативного зображень дефектоскопіруемого і зразкового об'єктів відповідно.

Подальший розвиток розглянута група методів отримала в гібридних компараторах - пристроях, заснованих на поелементному порівнянні ідентичних зображень за допомогою цифрових телевізійних систем (рис.8).

Рис. 8. Телевізійний компаратор:

1 - контрольований об'єкт; 2, 4 - светоделителя; 3 - джерело освітлення; 5 - еталонний об'єкт; 6 - ТБ-камери; 7 - блок порівняння (вирахування відеосигналу); 8 - СКУ

Оптичні зображення від контрольованого і еталонного об'єктів за допомогою телевізійних камер 6 перетворюються в електричні нормовані по амплітуді відеосигнали. Потім отримані відеосигнали подаються в протифазі до блоку порівняння 7, а різницевий сигнал перетвориться в різницеве ​​зображення, що представляється на екрані відеоконтрольного пристрою 8.

ЛІТЕРАТУРА

1. Давидов П. С. Технічна діагностика радіоелектронних пристроїв і систем. - М.: Радіо і зв'язок, 2000. - 256 с.

2. Єрмолов І.М., Останін Ю.Я. Методи і засоби неруйнівного контролю якості: Учеб. посібник для інженерно-техн. спец. вузов.-М.: Вища школа, 2002. - 368 с.

3. Технічні засоби діагностування: Довідник / За заг. ред. В. В. Клюєва. - М.: Машинобудування, 2005. - 672 с.

4. Прилади для неруйнівного контролю матеріалів і виробів. - Довідник. У 2-х кн. / За ред. В. В. Клюєва - М.: Машинобудування, 2006.

5. Ж. Госсорг. Інфрачервона термографія. Основи, техніка, застосування: Пер. з франц. - М. Світ, 2005. - 416 с.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
37.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Вимірювальний контроль в оптичній мікроскопії
Абсорбційні оптичні методи
Дисперсні системи Оптичні властивості і методи дослідження дисперсних систем
Оптичні рефлектометри Оптичні вимірювачі потужності
Використання методу люмінесцентної мікроскопії в дослідженні мікроводоростей
Податковий контроль Форми і методи податкового контролю
Фінансово господарський контроль його предмет і методи
Фінансово-господарський контроль його предмет і методи
Вбудований контроль і діагностика цифрових пристроїв Методи вище
© Усі права захищені
написати до нас