Методы контроля асферических поверхностей

УДК 681.17.18

А.Г. Полещук, Р.К. Насыров, А.Е. Маточкин

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В работе представлены обзор и классификация компьютерно-синтезированных голограмм (СГ) для оптического контроля. Приведены характеристики и особенности лазерной записывающей системы (ЛЗС) работающей в полярной системе координат и используемой для изготовления высокоточных СГ. Представлены практические результаты изготовления СГ с помощью ЛЗС Института автоматики и электрометрии. В работе обсуждается стратегия лазерной записи для уменьшения погрешности изготовления СГ. Обсуждаются методы измерения и контроля параметров процесса записи СГ в радиальных и угловых координатах, которые позволяют устранить случайные погрешности в микроструктуре изготавливаемых СГ.

A.G. Poleshchuk, R.K. Nasyrov, A.E. Matochkin

Institute of Automation and electrometry SB RAS, Novosibirsk

METHODS OF ASPHERICAL SURFACES TESTING

In this paper, review and classification of CGHs for optical testing are presented. Characteristic features of specialized laser-writing systems (LWS) operated in polar coordinates used in fabrication of highly precise large CGHs are considered. Practical results on CGH fabricating obtained by means of LWS located at the IA&E SB RAS (Novosibirsk, Russia) are presented. The problem of optimizing the writing strategy in order to reduce the errors is discussed. Methods for measuring and recording the writing process parameters during CGH fabrication, which allow one to estimate independently the error distribution for the element microstructure in the radial and angular coordinates, are considered.

Введение. Современные технологии прецизионной трехмерной обработки материалов позволяют создавать компоненты с оптическими поверхностями произвольной формы (осевые и внеосевые асферики, цилиндрические, торические и любые поверхности свободной формы) и неровностью в единицы ангстрем. Асферическая оптика уже является важнейшей составной частью современных оптических систем, используемых в астрофизических исследованиях, мониторинге Земли, в аппаратуре для проведения газодинамических и баллистических экспериментов, космической и военной технике (например: прозрачные носовые обтекатели боеголовок ракет). В оптических системах телескопов такими элементами являются главные и вторичные зеркала, причем для обеспечения дифракционного предела разрешения форма поверхности зеркал должна быть обработана с погрешностью менее 5-10нм. Применение асферики обеспечивает существенное уменьшение массы и габаритов оптических приборов, улучшение качества изображения, светосилы и угла поля зрения [1]. Потребители асферической оптики предъявляют высочайшие требования к точности ее изготовления. Оптика широкого применения изготавливается с точностью обработки поверхности стекла порядка 50-100нм, в то время как оптика

телескопов должна быть выполнена с точность ~5-10нм и выше. В ряде применений, таких как рентгеновская оптика, объективы ДУФ литография точность должна быть ~0.1-1нм при размере поверхностей до 0.5-1м. Качество асферики определяется с одной стороны точностью процесса изготовления, а с другой стороны точностью систем контроля формы этой поверхности. В производстве такой оптики актуален тезис: «если нельзя измерить, то невозможно создать».

В настоящей работе представлены результаты разработки методов и средств бесконтактного измерения формы асферических и нетипичных оптических поверхностей большого размера с нанометрической точностью на основе применения компьютерно-синтезированных голограмм (СГ) в сочетании с лазерными интерферометрами.

Асферические поверхности. Радиальное сечение асферической поверхности описывается уравнением:

где г - радиальная координата, Я - радиус в вершине поверхности, ^ коническая константа, Л2п - коэффициенты корректирующего полинома,

обеспечивающего возможность задания асферических элементов высших порядков. Различные типы асферики задаются следующим образом: К>0 сплюснутый эллипс, —1 <К<0 вытянутый эллипс, К = 0 сфера, К = -1 парабола, К<-1 гипербола. Во многих приложениях используются внеосевые сегменты асферической поверхности. Для компенсации несимметричных волновых аберраций используются асферические поверхности так называемой свободной формы, такие поверхности описываются полиномом.

Методы контроля асферических поверхностей. В настоящее время известно много методов контроля асферических поверхностей. Некоторые из них приведены в табл. 1.

Контроль асферики с наибольшей точностью и простотой обеспечивают компенсационные методы на основе применения СГ. Голограмма преобразует исходный волновой фронт интерферометра в волновой фронт, сопряженный с формой асферической поверхности. Если форма асферики точно соответствует расчетной, то при отражении от нее и вторичном проходе через СГ волновой фронт совпадает с исходным. Малейшее отклонение в форме поверхности приведет к изменению формы волнового фронта. Эти отклонения регистрируются интерферометром в виде интерферограммы. Чувствительность этого метода определяется выражением: Е = (с1Ы/Т)(А/2), где Е - минимально регистрируемое отклонение формы поверхности, с1Ы - регистрируемое смещение полосы при отношении сигнал/шум > 1, Г - период полос, Я - длина волны (обычно Я = 633 нм). Если регистрируется смещение 0.001 Я, то чувствительность составит E ~ 0.3нм. Таким образом, реализуется принцип «оптического компаратора», позволяющий регистрировать и измерять

г

малейшие отклонения формы поверхности от заданной. Точность оптического компаратора определяется в основном следующими факторами: точностью расчета и изготовления СГ; особенностью дифракционной структуры СГ, точностью юстировки оптической измерительной системы, точностью интерферометра и анализа интерферограмм.

Таблица 1. Методы контроля асферических поверхностей

Методы измерения Точность Достоинства Недостатки

Скани- рующие методы Профилограф [2] 0.5-2нм Универсаль- ность Заданная траектория, большое время измерения, контакт.

Пентапризма [3] 20-50нм Универсаль- ность Заданная траектория, большое время измерения.

Экран- ные методы Датчик Шека - Гартмана [4] 20-50нм Простота, большой диапазон Ограниченное пространственное разрешение и точность

Интер- ферен- ционные методы Интерферометр сдвига (боковой, радиальный, угловой и т.п.) [5] 10-100нм Простота, большой диапазон Ограниченная точность и чувствительность, трудность расшифровки

Точечный дифракционный интерферометр [6] 30нм Простота, точность, отсутствие эталона Нестандартное оборудование, ограниченный диапазон.

Синтезированная длина волны (двухволновый) [7] 10-100нм Большой диапазон, мат. поверх-ность Нестандартное оборудование, ограниченная точность

Интерферометр с сшивкой апертур 10-30нм Универсаль- ность Ограниченная точность, большое время измерений, сложное программное обеспечение

Интерферометр со сканированием вдоль оси (VeriFire Aspere [8]) 60-200нм Универсаль- ность Контроль осевый линз, большие время измерения и стоимость, ограниченная точность.

Прямой метод измерения [9] до 2000 полос 60-300нм Простота, обычный интерферо- метр Отступление от сферы < 1000 X, дополнительные погрешности.

Компенсационный с линзовым корректором до 1-5нм Традицион-ная технология Трудность в сборке и юстировке.

Компенсационный с СГ - корректором [11, 16] до 1-5нм Простая юстировка, высокая точность Требуется изготовление СГ, возможны оптические шумы

Компенсационный с пространственным модулятором[10] 20-50нм Универсаль- ность Отступление от сферы < 500 X, ограниченная точность, сложность сертификации.

Расчет оптического корректора.

Фазовая функция СГ определяется из геометрической модели хода лучей с нормальным падением на

контролируемую поверхность. Фазовая функция СГ - это оптическая разность хода лучей (OPD) между O'C'S' and OCS, как показано на рис. 1. СГ и асферическая поверхность могут быть как осесимметричными, так и внеосевыми.

Внеосевая СГ наклоняется на угол а к оптической оси. Выбирая опорную точку в центре, получим функцию (|>l(x,y) =

0'(х,у) C'S' - О (x0,yo)CS. OPD опорного

пучка определяется разностью O'R' and OR как ф2(х,у) = 0'(x,y)R' - 0(x0,yo)R. Если эталонная поверхность - плоскость, то ф2(х,у)= const. OPD СГ определяется как ф(х,у) = ф1(х,у) - ф2(х,у).

Точность изготовления СГ. Искажения прошедшего волнового фронта СГ определяются в основном погрешностями дифракционной структуры и искажениями, вносимыми подложкой [11]. Локальная ошибка дифракционной структуры СГ 8 приводит к появлению ошибки волнового фронта A WT = -тЛ(8/Т) [12], где Т - локальный период структуры, m - порядок дифракции и А -длина волны. Очевидно, при расчете СГ надо стремиться к увеличению периода. Если СГ бинарная, фазовая, то на точность влияют неоднородности глубины h травления: AWT =0.5Ah. Для наиболее точных измерений нужно стремиться использовать СГ с амплитудным пропусканием («хром на стекле»). Сертификация СГ [13] является одним из условий обеспечения нанометровой точности измерений. Подложка является одним из основных источников погрешностей в измерительной системе, так как ошибки волнового фронта из-за оптических неоднородностей подложки и изготовления дифракционной структуры СГ складываются. Это особенно существенно, когда размеры СГ велики. Применение комбинированных СГ [14, 15], которые могут формировать несколько независимых волновых фронтов, позволили исключить вносимые подложкой искажения.

Особенности дифракционной структуры СГ. Так как СГ является дифракционной структурой, то наличие дифракционных порядков (ДП) приводит к падению дифракционной эффективности (ДЭ) и появлению множества ДП, распространяющихся как на отражение, так и на проход. В осевых СГ ДП всегда перекрываются, и это часто приводит к появлению яркого пятна в центре интерферограммы. Этого недостатка лишена схема с внеосевой СГ и изломом оптической оси [16], однако точность изготовления структуры внеосевой СГ меньше, чем осевой. Увеличение ДЭ позволяет существенно уменьшить влияние паразитных ДП. Расчет структуры СГ необходимо проводить таким образом, чтобы паразитные ДП не попадали в интерферометр.

Точность юстировки. Корректоры на основе СГ более чувствительны к юстировке, чем классические оптические элементы. Анализ показал, что для получения нанометровой точности измерения взаимное положение интерферометра, СГ и исследуемой поверхности должно быть выдержано с точностью в доли микрона вдоль оптической оси и по наклону в единицы угловых секунд. Необходимая точность обеспечивается дополнительными дифракционными структурами, которые располагаются на одной подложке с основным ДОЭ и формируют вспомогательные пучки света (рис. 2а).

Контролируемая

Рис. 2. (а) - Вид ДОЭ со вспомогательными юстировочными дифракционными

структурами:

1 - основная дифракционная структура, 2 - отражающая дифракционная сфера, 3 - фокусирующие ДОЭ. (б) - Схема юстировки ДОЭ по отражающей дифракционной сфере. (в) - Схема юстировки контролируемой поверхности по

фокусирующим ДОЭ

На одной подложке вокруг основной дифракционной структуры изготавливается отражающая дифракционная сфера (Рис. 2б), кривизна сферического волнового фронта совпадает с кривизной волнового фронта эталонного объектива, который формирует сферическую волну. ДОЭ выставляется так, чтобы в области интерферограммы, соответствующей отражающей дифракционной сфере, возникло поле равномерной интенсивности.

Фокусирующие ДОЭ (Рис. 2в) формируют световые пятна (или кресты) в заданных областях, например, по периметру контролируемой поверхности. Этот метод значительно сокращает время выставления контролируемой поверхности. Дальнейшая точная настройка ведется по интерференционной картине в области основной интерферограммы.

Заключение. Развитие технологии дифракционной оптики позволяет успешно решать многие задачи прецизионного нанометрического контроля широкого класса асферических поверхностей в условиях оптического производства. Дальнейшие наши исследования будут сосредоточены на методах повышения точности измерения за счет устранения специфических погрешностей СГ и влияния внешних дестабилизирующих факторов.

Данная работа была выполнена в рамках комплексного интеграционного проекта № 54 СО РАН.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. R. Hentschel, B. Braunecker; H. J. Tiziani. Advanced optics using aspherical elements // SPIE Press Book. 2008. Vol. PM173 p. 434.

2. www.mahr.com

3. P.C.V. Mallik, C. Zhao, J.H. Burge. Measurement of a 2-meter flat using a pentaprism scanning system // Optical Engineering. 2007. Vol. 46 pp. 023602-1 - 023602-9.

4. Ho-Soon Yang, Jae-Bong Song, In-Won Lee, Yun-Woo Le. Testing of steep convex aspheric surface with a Hartmann sensor by using a CGH. Optics Express, vol. 14, N 8, 2006, pp. 3247-3254.

5. P. Hariharan. Lateral and radial shearing interferometers: a comparison//Applied Optics. 1988. Vol. 27, N 17, pp. 3594-3596.

6. Н.Б. Вознесенский, Е.В. Гаврилов, А.П. Жевлаков, В.К. Кирилловский, П.В. Орлов. Интерференционный контроль асферических компонентов объектива для нанолитографии//ЖТФ, 2007, том 77, вып.2, стр. 126-130.

7. K. Creath, J. C. Wyant. Direct phase measurement of aspherical surface contours//SPIE 1985.Vol. 645, pp.101-106.

8. http://zygo.com/?/met/interferometers/verifire/

9. http://www.engsynthesis.com/p/products/fizeau/intellium_asphere.php.

10. H Wang, Z Wang, H Zhao, A Tian. Research on encode technology for aspherical surface measurement based on real time hologram// Proc. SPIE. 2007. Vol. 6279, pp. 62797J.

11. Ping Zhou, Jim Burge. Fabrication error analysis and experimental demonstration for computer-generated hologram // Applied Optics, 2007. Vol. 46. N 5, pp. 657-663.

12. А.Г. Полещук, В.П. Коронкевич, В.П. Корольков, А.А. Харисов, В.В. Черкашин Синтез дифракционных оптических элементов в полярной системе координат: погрешности изготовления и измерения // Автометрия. 1997. N 6. С. 42.

13. R.K. Nasyrov, A.G. Poleshchuk, V.P. Korolkov, K. Pruss, S. Reichelt. “Certification of diffractive optical elements for aspherical optics testing,” Optoelectr., Instrum. and Data Process. 2005. Vol. 41, No. 1, pp. 100-108.

14. J.-M. Asfour, A.G. Poleshchuk, Asphere testing with a Fizeau interferometer based on a combined computer-generated hologram// JOSA A, 2006. Vol. 23, N 1, pp.172-178.

15. A.G. Poleshchuk, R.K. Nasyrov, and J.-M. Asfour. Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces // Optics Express, 2009. Vol. 17, Issue 7, pp. 54205425.

16. S.M. Arnold, L.C. Maxey, J.E. Rogers, R.C. Yoder. Figure metrology of deep aspherics using a conventional interferometer with CGH null // Proc. SPIE. 1996. Vol. 2536, pp.106-116.

© А.Г. Полещук, Р.К. Насыров, A£. Маточкин, 2010