ГОСТ Р 8.744-2011/ISO/TR 14999-3:2005

Группа Т86.10

     

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

     
Государственная система обеспечения единства измерений

ОПТИКА И ФОТОНИКА. ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ

Часть 3

Калибровка и аттестация интерферометров, методика измерений оптических волновых фронтов

State system for ensuring the uniformity of measurements. Optics and photonics. Interferometric, measurement of optical elements and systems. Part 3. Calibration and validation of interferometers, methodology of optical uavefronts measurement

     

ОКС 37.020

Дата введения 2013-03-01

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004* "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"

________________

     * На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ Р 1.0-2012. - Примечание изготовителя базы данных.

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы" (ФГУП "ВНИИМС")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 53 "Основные нормы и правила по обеспечению единства измерений" Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 декабря 2011 г. N 1067-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному документу ISО/TR 14999-3:2005* "Оптика и фотоника. Интерферометрическое измерение оптических элементов и систем. Часть 3. Калибровка и валидация оборудования для интерферометрического испытания и измерений" (ISO/TR 14999-3:2005 "Optics and photonics - Interferometric measurement of optical elements and optical systems. Part 3: Calibration and validation of interferometric test equipment and measurements")

________________

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

Введение

Техническим комитетом ИСО (ISO/TC 172/SC1) была подготовлена и опубликована под общим названием ИСО 10110 "Оптика и фотоника - Подготовка технической документации на оптические элементы и системы" серия международных стандартов "Обозначения в технической документации характеристик оптических элементов и систем", причем особое внимание уделено части 5 "Допустимые отклонения формы поверхности" и части 14 "Допустимые отклонения волнового фронта".

После опубликования серии стандартов и особенно упомянутых двух частей экспертам стало очевидно, что необходимы дополнительная документация и информация о представлении изготовленных оптических элементов и систем с допустимыми отклонениями. Поэтому ISO/TC 172/SC1 подготовил и опубликовал Технический доклад под названием "Интерферометрия волновых фронтов и форм поверхностей оптических элементов".

При обсуждении было констатировано, что Технический доклад или стандарт впервые имеют отношение к волновой оптике, т.е. базируются на физической оптике, а не геометрической. Поэтому пояснены только основные аспекты, представляющие наибольшие трудности для понимания.

С учетом складывавшейся ситуации, когда в документах ИСО не обсуждались проблемы интерферометрии, естественным было желание сделать изложение предельно доступным. Возникла дискуссия по вопросу о целесообразности обсуждения таких важнейших направлений, как интерференционная микроскопия (для наблюдения и описания микрошероховатостей поверхностей оптических элементов), интерферометрия сдвига (например, для описания подвергшихся коррекции оптических систем), многолучевая интерферометрия, формирование и считывание изображений в когерентном излучении или методы обращения волнового фронта. Решено было отразить и такие методы, как классическая двулучевая интерферометрия, а также с распространенными методиками типа голографической интерферометрии, муаровым методом и профилометрией, наряду с Фурье-спектроскопией и поляриметрией, которые дополняют микроскопическую интерферометрию (микроинтерферометрию).

Для дополнения ИСО 10110 изложение материала содержало описание общепринятых способов оценки качества оптических элементов. Это было выполнено путем укомплектования первой версии Технического доклада несколькими дополнительными частями с учетом того, что в ближайшем будущем возникнут более жесткие допуски на отклонения от идеальной формы или шероховатости поверхности (примерно на два порядка) оптических элементов и систем, предназначенных для работы в экстремальном вакуумном ультрафиолете (=6-13 нм) в системах микролитографии.

Данный стандарт (ИСО 14999) посвящен методам оценки качества оптических элементов и систем в целом, имеющих отношение к производимым ими (элементами и системами) деформациям волнового фронта. Эти искажения распределены по шкале пространственных частот, однако в данном стандарте (ИСО 14999) рассматриваются деформации волнового фронта только в низко- и среднечастотном диапазонах спектра пространственных частот. Высокочастотный участок спектра может быть измерен только с помощью микроскопа, с использованием результатов измерений рассеянного света или вообще неоптических способов зондирования поверхности.

Подобное рассмотрение может быть выполнено применительно к любому спектральному диапазону излучения, используемого для зондирования поверхности. В ИСО 14999 для наглядности рассмотрен случай использования видимого излучения. В ряде случаев при измерениях шероховатости поверхности применяются -лазеры с длиной волны 10,6 мкм (после шлифования изделия) или эксимерные лазеры с длинами волн 193 или 248 нм при контроле микролитографической оптики. Однако в стандарте они упоминаются изредка и не детализируются. Об остальных участках оптического спектра речь в ИСО 14999 не идет.

     1 Область применения

Настоящий стандарт рассматривает источники погрешностей и деление их на симметричные и несимметричные части. В нем также описываются критерии оценки надежности результатов измерений по качеству физически реализуемой эталонной поверхности и создание методик испытаний, обеспечивающих достижение абсолютной калибровки.

     2 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины и определения:

2.1 идеальная форма: Математическое описание формы оптической поверхности.

2.2 погрешность поверхности: Отклонение контролируемой поверхности от идеальной формы, включая воздействия, оказываемые силой тяжести и креплением.

2.3 погрешность волнового фронта: Отклонение формы волнового фронта, соответствующее отклонению поверхности, определяемое по интерферограмме.

2.4 абсолютное измерение: Методика, выявляющая отклонение волнового фронта контролируемого объекта относительно идеальной формы, а не физически реализованной поверхности.

2.5 квазиабсолютное измерение: Методика, выявляющая отклонение формы волнового фронта, ограниченное определенными источниками, но также относительно идеальной формы, а не физически реализованной поверхности.

     3 Систематическое исследование контрольного оборудования, измерительной установки и окружающей среды как источников погрешностей

     3.1 Общие сведения

Как известно, целью измерения является определение значения измеряемой величины, причем в контексте данного стандарта эта оптическая величина или параметр, как, например, форма волнового фронта, связана с характеристиками оптических элементов или оптических систем. Измерение начинается с выбора подходящей измеряемой величины, определения метода и соответствующей методики выполнения измерений.

Любой результат измерения в силу несовершенства самого процесса измерения отягощен погрешностью измерений. Вследствие неопределенности измерений истинное значение измеряемой величины всегда неизвестно.

Неопределенность измерения содержит много составляющих. Некоторые из них определяются статистическими методами и характеризуются экспериментально получаемыми стандартными отклонениями (часто именуемыми стандартными неопределенностями). Другие составляющие неопределенности определяются экспериментальным путем или с использованием других источников информации и вычисляются исходя из предполагаемых распределений вероятности. Они также характеризуются стандартными отклонениями.

Случайные погрешности выявляются в ходе выполнения повторных измерений в одних и тех же условиях измерений. Это приводит к рассеянию результатов вокруг среднего значения. Они не могут быть исключены, но порождаемая ими неопределенность измерений может быть уменьшена путем увеличения числа измерений и статистической обработки получаемых результатов.

Систематические погрешности порождаются систематическими воздействиями. Они остаются практически неизменными при повторных измерениях, выполняемых в тех же условиях. Их нельзя исключить, но можно скорректировать до определенного уровня (т.е. до уровня неисключенной систематической погрешности, получившей общее признание в отечественной метрологии).

Суммарная неопределенность является комбинацией стандартных неопределенностей. Все составляющие неопределенности требуют тщательного изучения и учета, после чего возможна оценка суммарной неопределенности. При предварительной оценке выявляются составляющие, меньшие одной пятой наибольшей компоненты, и ими пренебрегают при оценке суммарной неопределенности. Неопределенности, порождаемые случайными процессами, относятся к неопределенностям типа А, а порождаемые систематически действующими источниками - к неопределенностям типа В.

     3.2 Источники неопределенности

Существует много источников неопределенности, которые зависят от технических средств. Однако можно отметить много общих измерительных задач, решение которых связано с оптическими методиками контроля и калибровки:

- недостаточно полное определение типа контроля; предъявляемые требования сформулированы недостаточно точно и детально;

- несовершенство реализации методики контроля; даже при четко определенных условиях проведения контроля не представляется возможным из-за несовершенства системы соблюсти в точности все теоретически определенные соотношения;

- неточности отсчета персоналом показаний аналоговых приборов;

- недостаток разрешающей способности и наличие пороговых соотношений, погрешностей;

- величины, характеризующие эталоны и референтные фантомы;

- изменения характеристик или конструкции средств измерений или референтных фантомов со времени последней калибровки;

- аппроксимация результатов измерений и модернизация метода и методики выполнения измерений;

- случайные помехи в процессе выполнения измерений.

Во-первых, влияния источников неопределенностей могут быть коррелированы; во-вторых, источники систематических погрешностей в ряде случаев могут оказаться незамеченными. Поэтому целесообразно периодически проводить как межлабораторные сличения соответствующих средств измерений, так и перекрестные сличения результатов измерений.

Примечание - Обязательному учету подлежат идентифицированные источники погрешностей при выполнении интерферометрического эксперимента при испытаниях оптических элементов и приборов.

     3.3 Суммирование неопределенностей

Наиболее корректными считаются способы учета и суммирования неопределенностей, рекомендуемые GUM [21]. При этом сначала определяются стандартные неопределенности (стандартные отклонения), затем определяется корень квадратный из суммы квадратов стандартных неопределенностей, называемый суммарной стандартной неопределенностью, после чего умножением последней на коэффициент охвата находят расширенную неопределенность. Выбор коэффициента охвата зависит от уровня доверительной вероятности. При доверительной вероятности 95% .

      4 Деление погрешностей на составляющие с вращательной симметрией и невращательной симметрией (вращательно-симметричные и невращательно-симметричные)

     4.1 Общие сведения

Деление погрешностей на эти две группы составляющих является надежным практическим способом получения простейшими средствами полезной информации. Этим способом следует пользоваться с осторожностью, поскольку он не позволяет определить вращательно-симметричные погрешности испытуемого объекта. Однако практически очень часто они не влияют на результаты измерений, равно как и невращательно-симметричные.

В 4.2-4.4 описана процедура деления погрешностей измеренного волнового фронта оптических элементов на упомянутые составляющие с целью определения абсолютных значений невращательно-симметричных погрешностей при измерениях характеристик поверхностей испытуемых образцов.

Описываемая процедура применима ко всем оптическим поверхностям с вращательно-симметричной формой, включая плоскости, сферы и асферические поверхности, а также к оптическим элементам и системам, работающим на пропускание. Процедура неприменима к оптическим поверхностям, форма которых не обладает вращательной симметрией, например к внеосевым асферическим поверхностям. Более того, процедура не позволяет определить абсолютные значения вращательно-симметричных погрешностей испытуемого объекта.

     4.2 Принцип

Используемые при измерениях формы волновых фронтов двухлучевые интерферометры всегда определяют разность между погрешностями измерения волнового фронта контролируемого объекта и погрешностями волнового фронта самого интерферометра, которые не могут быть отделены друг от друга путем однократного измерения. Например, погрешности интерферометра включают погрешности эталонной поверхности, погрешности пропускающей сферической поверхности или компенсирующих оптических элементов. Для определения погрешностей контролируемого образца используются так называемые вторичные эталоны (reference standards) или методы "абсолютных испытаний" (absolute tests). Однако для практического применения существуют и другие хорошо известные процедуры. Одна из них, не требующая применения дополнительных оптических элементов, называется методом "трех положений" [1] и используется при испытаниях сфер. Однако для объектов других типов (например, плоскостей, выпуклых сфер, пропускающих оптических, в том числе асферических элементов) нет простых, недорогих, доступных процедур выполнения "абсолютного контроля".

"Квазиабсолютный контроль" по определению невращательно-симметричных погрешностей волнового фронта может базироваться на измерениях контролируемого объекта под различными углами его поворота (см. рисунок 1), и тогда погрешность определяется по формуле

,                                         (1)

где - вращательно-симметричная составляющая;

- невращательно-симметричная составляющая.

Соотношение между погрешностью поверхности и измеренной погрешностью волнового фронта описывается выражением .

Если погрешность интерферометра также разделить на вращательно-симметричную и невращательно-симметричную составляющие, то погрешность измерений формы волнового фронта представится в виде