CGH interferometer

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CGH ⼲渉計
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岩室 史英 (京⼤宇物)●バイコニックミラーの CGH ⼲渉計での検査⽅法
⼤曲率の鏡に合わせた波⾯を平⾏光束中の CGH で⽣成するのは、⼲渉で曲げる角度が⼤きすぎて困難だが、球⾯波中に CGH を配置すれば波⾯を作ること⾃体は可能。しかし、その場合 CGH の配置位置の条件が厳しすぎて直感的に無理そうだと思っていたが、⽊野くんの話ではパターンの周囲に位置調整⽤のパターンを⼊れれば配置は可能だと思うとの事だったので、CGH で⼤曲率バイコニック⾯の検査をする⽅法を考える(もちろん、拡張フーコーでの検査も継続する)。
概念としては、中央に⼩さい⽳を開けた斜鏡中央にピンホールを配置し(結構難しそうだが...)、F/1.2 のレーザー光を⼊射 => CGH => 球⾯メニスカス(内側が球⾯波参照⾯) =>被検⾯、でできそうで、主鏡検査に⽤いた CGH と同様、検査光は CGH を⾏きは１次帰りは０次で通過し、参照光はその逆という⼿法を取る。戻った光は数cmに広がるため、⼊射ピンホール以外の部分を斜鏡で反射し、結像レンズに送る。

とりあえず、CGH のサイズとしてどの程度のものが必要になるのか考えるため、各バイコニック⾯の法線がどのようなビームパターンを作るか調べてみた。⽊野くんによると、CGH 上の１点に複数の検査光が重なるとややこしいとのことなので、確実にそうなっていない場所を考えると、８cm□程度の⾯積があれば⼤丈夫そうだ。また、像が縦に伸びる所を光源にすれば、戻り光との重なりを避けられる可能性がありそう。とりあえずは、戻り光が重ならない配置での CGH マスクパターンを計算してみる。

2019/11/26 11:10

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ピンホールと CGH mask の間を 100mm に固定した場合の各⾯に対するマスクパターンが以下左側の図(空気の屈折率、メニスカス球⾯原器を BK7 中⼼厚 20mm、CGH マスク
合成⽯英厚さ 2.3mm (QZ クロムマスク 4009 規格を想定) として考慮、周辺部のパターンは位置決定⽤で後述)。⾊は線200本毎に変えてある。中央の図は最も線の密度が⾼い部分で、⾊は20本毎に変えてある(数値は最⼩間隔)。⼀番下のミラーに対しては F/1 基準原器が必要で(マスクパターンも F/1 まで)、そのような原器が製作できるのかどうかも問題。⼀番下のミラーのマスクは線密度をもう少し⾼められそうなので、マスクを光源に近づけてもう少し⼩さくしてもいいかも。⼀番右はピンホール位置でのスポット。
横にずらせるかどうか検討が必要。

2019/11/26 11:10

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４番目でピンホールと CGH mask の間を 60mm にした場合のものが以下。⼤体これでいけそう。

ピンホール位置でできるだけ像が縦⻑になる場所を選び、ピンホール(下右図原点位置)が像と 2mm 程度離れるように CGH に傾斜をつけてみる。配置は以下のような感じ。

2019/11/26 11:10

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http://www.kusastro.kyoto-u.ac.jp/~iwamuro/CGH/index.html●ゴースト像の影響
主鏡検査で⽤いた CGH は、参照光と被検光が完全に分離したためゴーストの予測がしやすかったが、この CGH ではハーフミラーで参照光を折り返すため、ゴーストの影響が出やすくなる。思考実験として、被検⾯のバイコニックを球⾯とし参照⾯の球⼼位置とずれている状況を考える。下図で、●がピンホールと参照⾯球⼼、●が被検⾯球⼼であるとし、各点の右上にピンクの字で参照光の⾏きと帰りの CGH 次数、右下に⻩⼟⾊の字で被検光の⾏きと帰りの CGH 次数を 1/0 などとして表している。●に戻る光はピンホールもしくはその周辺の構造物の影響でカメラ⽅向には来ない。●の光のボケ像が検査に⽤いられる光だが、その中にも多数の次数の光が⼊っている事がわかる(2次以上の光も考えるともっと増える)。 0/1 と 1/0 の⼲渉縞が検査すべき情報を持っているが、0/1 と 0/-1 や -1/0 と 1/0 も⼲渉縞を作ってしまう。この思考実験では被検⾯は球⾯鏡なので、横ずれ分(の２倍)のコマ収差に相当する⼲渉縞ができることが予想されるが、バイコニックの場合は非球⾯量の２倍に相当する縞となるため中央部のごく狭い領域にのみ⼲渉縞が確認でき、少し外れると縞は⾒えなくなることが予想される。また、0/1 と-1/0 も⼲渉縞が出ることが予想されるが、この縞は位相シフトで動かないため、分離可能だと思われる。その他、●の像も異なるサイズで混ざりこんでくるため、結構ゴーストだらけの像⾯になりそう。

2019/11/26 11:10

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http://www.kusastro.kyoto-u.ac.jp/~iwamuro/CGH/index.html●参照⾯と CGH mask 位置の決定⽅法
0/0 参照光はピンホールに戻ってしまうため、CGH の位置をこの光を⽤いて決定するためには同⼀パスの戻り光を取り出す必要がある。ピンホールと光源の間に平⾏光を作り、そこにハーフミラーを置いて 0/0 参照光と 1/1 被検光(⼤半の光はピンホールに⼊らない事が予想されるが)を取り出す。CGH マスク周辺部に球⾯波を同⼀⽅向に反射して戻すパターンを描画しておけば(マスク上下の⼗字パターン)、ピンホールを通過するかどうかでほぼ調整でき、通過後の光と参照光との⼲渉を⾒ることで（ピンホール径は回折限界の数倍）更に詳細な位置調整が可能なはず(光源の位置が安定していれば、ピンホール無しでその代わりにビームスプリッタの残りの⾯に平⾯鏡を⼊れられるようにしてもいいかも)。この⽅法だと、参照⾯とピンホールの位置関係が常にモニタできるところも利点。また、ピンホール裏での反射光を使えば、光源の位置のモニタもできる。
集光⽤レンズは Edmund Optics のTS ベストフォーム非球⾯レンズ 25 X 25 633NM AR、コリメータは25 X 100 633NM ARを⽤い、その間にTS キューブ型無偏光B/S 430-670NM
25MM(できれば反射率を下げた特注品)を⼊れてスタイキャストで張り合わせれば F/4=> F/1 変換もできて便利そうだ。但し、この非球⾯レンズは視野が非常に狭く、レーザー光源との位置関係は 5μm 精度(光軸⽅向は20μm)で固定されている必要があるた
め、どのように調整して固定するかはかなりの検討が必要。

更に光軸⽅向に 20μm ずれた場合●ピンホールのエッジの影響
⽊野くんよりピンホールの膜厚は⽳径よりもかなり厚いので注意、という事を聞き調べてみた所、ピンホールのエッジはエッチング加⼯時に厚さ(〜20μm)と同程度の曲率直径の形状になるらしいことがわかった。幾何的に考えると、直径 5μm のピンホールに F/1⼊射光を与えると、実効的には直径 2.5μm の⽳サイズとなる。エッジでの反射で抜ける

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成分を考えるとややこしいが、直径 2μm のピンホールでは F/1 の⼊射光は⼊れられないことがわかった。

●被検⾯位置の決定⽅法
マスク四隅に集光⽤のパターンを⼊れておき、被検⾯４隅に点を結像させる。F/1 よりも明るい参照⾯が必要そうだ...

iwamuro@kusastro.kyoto-u.ac.jp

2019/11/26 11:10