Способ определения взаимного положения перекрывающихся оптических пучков
METHOD OF DETERMINING MUTUAL POSITION OF OVERLAPPING OPTICAL BEAMS

Изобретение относится к измерительной оптике, а именно, к способу определения взаимного расположения в пространстве нескольких оптических пучков, частично или полностью перекрывающихся пучков. Изобретение может найти применение при оптическом измерении тепловых, механических и акустических параметров наноструктур и объемных материалов с помощью фототермической, пикоакустической методик, требующих контроля совмещения фокальных пятен с размерами менее 1 мкм с точностью до 100 нм, а также для юстировки оптических приборов, содержащих объективы с большой числовой апертурой.
Из всех известных методов измерений оптические измерения относятся к наиболее точным. Пороговая чувствительность и точность классических методов оптических измерений находится на уровне длины волны излучения, которая для видимого излучения составляет величину порядка 0,5 мкм. Задачей современных технологий является повышение точности и чувствительности еще в десятки раз (Кирилловский В.К. и др. Оптические измерения, ч. 2, Санкт-Петербург, Университет ИТМО, 2017, с. 3// http://aco.ifmo.ru/upload/publications/book_opt_mes_part_2_2017.pdf).
Известен способ измерения параметров лазерного луча (SU 1791788 Al, G02B 26/00, H01S 3/00, 30.01.1993), основанный на периодическом пропускании частей оптического пучка с помощью системы щелей, расположенных на двух вращающихся соосных дисках. Один из дисков расположен до перетяжки оптического пучка, а другой после, непосредственно перед фотоприемником. Значения дефокусировки и параметров астигматизма светового пучка выражаются через параметры эллипсов (длины полуосей, угол наклона одной из осей эллипса к плоскости устройства), образующихся при пересечении светового пучка дисками. При вращении дисков через систему щелей производятся отсчеты проекций эллипсов, по которым, с помощью преобразования Радона, возможно восстановление параметров эллипсов и далее - положение фокуса и астигматизма оптического пучка. Основным недостатком метода является невозможность одновременного измерения распределения интенсивности двух и более пучков, частично перекрывающихся в пространстве. Для определения взаимного положения пучков необходимо проводить измерения распределений интенсивности отдельно для каждого пучка, при этом требуется высокая механическая стабильность привода диска, поскольку сравниваются распределения интенсивности в абсолютных координатах.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ измерения параметров лазерного луча (US 5459565 A, G01J 1/04, 17.10.1995), основанный на периодическом затенении измеряемого луча кромками ножей или щелей расположенных в боковой стенке вращающегося барабана, внутри которого находится фотодетектор, регистрирующий зависимость интенсивности от угла поворота барабана. Благодаря наличию кромок ножей и/или щелей, расположенных под разными углами относительно оси барабана, удается за один оборот барабана получить достаточное количество информации, чтобы определить распределение интенсивности в оптическом пучке. Недостатком данного метода является невозможность одновременного измерения распределения интенсивности и взаимного положения двух и более лучей, частично совпадающих в пространстве. Проведение таких измерений с помощью описанного метода требует его последовательного применения к каждому лучу, в результате чего увеличивается в N раз (N - количество лучей) время измерения, при этом нестабильность измерения абсолютных координат лучей должна быть менее 100 нм.
Технической задачей изобретения является повышение точности и простоты измерения распределения интенсивности и определения взаимного положения N перекрывающихся (в том числе перекрывающихся частично или полностью) оптических пучков в фокальной плоскости.
Техническим результатом изобретения является обеспечение субмикронной точности измерения взаимного положения оптических пучков с определением распределения интенсивности каждого пучка в фокальной плоскости при существенном сокращении времени измерений.
Способ определения взаимного положения перекрывающихся оптических пучков включает следующую последовательность стадий:
- каждый n-ый оптический пучок из набора N пучков пропускают через отдельный модулятор света, осуществляющий изменение интенсивности пучка по закону 1+Un(t), где Un(t) - ортогональная функция Уолша,
- с помощью оптической системы оптические пучки собирают в фокальной плоскости,
- вдоль фокальной плоскости по одной или двум координатам перемещают непрозрачный экран, выполненный в виде ножа, или двух ножей с взаимно перпендикулярными краями, или диафрагмы с круглым или прямоугольным отверстием, из положения, когда все оптические пучки открыты, в положение, когда все оптические пучки закрыты, с обеспечением постепенного перекрытия оптических пучков, при этом обеспечивают одновременную регистрацию одной или двух координат экрана в фокальной плоскости и соответствующих им значений световых потоков каждого из N пучков в виде ортогональных функций посредством установленного за экраном вблизи фокальной плоскости фотодиода и подключенного к нему многоканального приемника ортогональных сигналов,
- по полученным данным для каждого из N оптических пучков определяют зависимость светового потока от координат экрана,
- проводят численное дифференцирование зависимостей световых потоков пучков от координат экрана с получением распределения интенсивности оптических пучков на экране и, по расстоянию между центрами масс оптических пучков, определяют взаимное расположение перекрывающихся пучков.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1. Схема модуляции и регистрации световых потоков оптических пучков
Фиг. 2. Возможные формы выполнения непрозрачного экрана
Фиг. 3. Схема модуляции и регистрации световых потоков трех перекрывающихся оптических пучков
Фиг. 4. Зависимость световых потоков трех оптических пучков от времени на выходах модуляторов
Фиг. 5. Схема перекрытия ножом трех перекрывающихся оптических пучков
Фиг. 6. Зависимость от времени светового потока на фотодиоде
Фиг. 7. Схема модуляции и регистрации двух перекрывающихся оптических пучков
Фиг. 8. Зависимость световых потоков двух перекрывающихся оптических пучков от времени на выходах модуляторов
Фиг. 9. Результаты измерений по двум координатам для двух перекрывающихся оптических пучков
1
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
2
N
1
1
2
2
N
N
Оптические пучки В, В2, … B (фиг. 1), в общем случае не параллельные (в случае, когда пучки параллельны их пятна в фокальной плоскости совпадают) оптической оси системы, со световыми потоками P, Р, …P, где N - количество пучков, пропускают через модуляторы 1, где модулируются функциями 1+U(t), 1+U(t), l+U(t), причем функции Un(t), где n=1,2…N, являются ортогональными функциями Уолша wal(n,t/T) (Трахтман A.M. и др. Основы теории дискретных сигналов на конечных интервалах, М., Советское радио, 1975, с. 207. /[1]). Здесь P, Р, …P - значение световых потоков (Вт), U(t), U(t), … U(t) - безразмерные значения функций Уолша с параметрами n=1,2…N и t/T, t - время (сек), Т - период (сек). После прохождения модуляторов световые потоки оптических пучков становятся зависящими от времени по закону: P⋅(1+U(t)), P⋅(1+U(t)),…, P⋅(1+U(t)).
Σ
1
1
1
2
2
2
N
N
N
1
2
N
D
Σ
В качестве модуляторов могут использоваться любые известные модуляторы, такие как механические прерыватели пучка, электрооптические (на эффекте Поккельса) и акустооптические. Модулированные пучки фокусируют с помощью линзы или объектива 2 в фокальной плоскости 3. Справа на фиг. 1 приведен пример возможного распределения интенсивности пучков в фокальной плоскости 3, когда экран 4 не пересекает пучки. Вдоль фокальной плоскости по одной или двум координатам с помощью микрометрического привода XY перемещают экран 4. Возможные формы экрана приведены на фиг. 2, при этом окружностями схематично показано возможное положение сечений пучков в плоскости экрана. Форма экрана в виде ножа (см. фиг. 2а) позволяет проводить измерения распределения интенсивности и взаимного положения пучков по одной координате. Формы экрана в виде двойного ножа (см. фиг. 2б)) и диафрагм (см. фиг. 2в), г)), позволяют проводить последовательные измерения по двум координатам. За экраном 4 устанавливают фотодиод 5, регистрирующий в зависимости от времени световой поток P=P⋅S(x,y)⋅(1+U(t))+P⋅S(x,y)⋅(1+U(t))+…+P⋅S(x,y)⋅(1+U(t)), который изменяется при перемещении экрана. Функции S(x,y), S(x,y), …, S(x,y) показывают, какая часть светового потока не затенена экраном, находящимся в положении х, у. В случае если интенсивности пучков невелики, можно считать режим работы фотодиода линейным, при этом на выходе возникает фототок I+k⋅P, где k - чувствительность фотодиода.
1
1
2
2
N
N
1
2
N
Сигнал с выхода фотодиода подается на вход приемника ортогональных сигналов 6. Каждый из выходов приемника ортогональных сигналов настроен на одну и только одну функцию из набора Un(t), n=1…N. На соответствующих выходах получаем P⋅S(x,y), P⋅S(x,y),…, P⋅S(x,y). Таким образом, перемещая экран из положения, когда все пучки открыты, в положение, когда все пучки закрыты, одновременно регистрируя координату и выходы многоканального приемника 6 получают функции S(x,y), S(x,y),…, S(x,y). Дифференцируя эти функции по координатам, получают распределения интенсивностей пучков в плоскости 3, и расстояние между пучками, как расстояние между центрами масс пучков.
Благодаря тому, что зависимости световых потоков от положения экрана для всех пучков определяются одновременно (при определенном значении координаты происходит измерение потоков сразу всех пучков), отсутствуют ошибки измерения взаимного расположения распределений интенсивностей отдельных пучков. Такие ошибки неизбежно возникают из-за механических нестабильностей (люфтов) в приводе экрана при проведении измерении по отдельности для каждого пучка.
Применение ортогональной модуляции интенсивностей оптических пучков, придает предлагаемому методу новое качество - многоканальность, существенно расширяющее его возможности, и отсутствующее в существующих методах измерения параметров оптических пучков.
Пример 1
1
2
3
1
2
3
-4
-3
На фиг. 3 продемонстрирована схема модуляции трех перекрывающихся пучков. Предположим, что вдоль оптической оси Z распространяются три оптических пучка В, В, В с величинами световых потоков P=2 мВт, Р=1 мВт, Р=0,5 мВт под небольшими углами ≤10÷10 радиана к оси Z (фиг. 3). Заметим сразу, что такие углы относительно оптической оси у объектива с фокусным расстоянием ≈5 мм приводят к смещению фокального пятна на 0,5÷5 мкм. При диаметре фокального пятна 1,5÷2 мкм это может привести к тому, что пучки не будут перекрываться в фокальной плоскости.
Модуляторы 1, модулируют световые пучки функциями 1+wal(1,t/T), 1+wal(2,t/T), 1+wal(3,t/T), где wal(m,t/T) - функции Уолша. Зависимость световых потоков от времени на выходах модуляторов приведена на фиг. 4а), б), в). В качестве примера рассмотрим измерение распределения интенсивности пучков по одной координате, в этом случае в качестве экрана используется нож.
a
1
2
3
1
0
2
0
3
0
На фиг. 5а) нож не перекрывает пучки, при этом световой поток от пучков на фотодиоде равен P(t)=2⋅(1+wal(1,t))+1⋅(1+wal(2,t))+0.5⋅(1+wal(3,t)) и имеет вид, приведенный на Рис. 6а). Поскольку каждый выход (канал) приемника (см. фиг. 3, где приведена схема приемника, ФНЧ - фильтры нижних частот) реагирует на сигнал, вызванный только «своей» модулирующей функцией, то на выходах каналов 1, 2, 3 имеем P, Р, Р, поскольку S(x)=S(x)=S(x)=1.
1
1
1
1
б
1
1
2
3
В положении фиг. 5б) пучок P частично перекрыт ножом, его поток при этом P⋅S(x). На фотодиоде сумма световых потоков равна P(t)=0.7⋅2⋅(l+wal(1,t))+1⋅(1+wal(2,t))+0.5⋅(1+wal(3,t)) и имеет вид фиг. 6б). На выходах каналов 1, 2, 3 приемника имеем P1⋅S(x), Р, Р.
в
1
1
2
2
2
2
3
3
2
1
2
3
В положении фиг. 5в) частично перекрыты все три пучка, сумма световых потоков на фотодиоде равна Р(t)=0.1⋅2⋅(1+wal(1,t))+0.6⋅1⋅(1+wal(2,t))+0.7⋅0.5⋅(1+wal(3,t)) и имеет вид фиг. 6в), а на выходах каналов 1, 2, 3 приемника имеем P⋅S(x), P⋅S(x), P⋅S(x). Таким образом, происходит независимое измерение функций S(x), S(x), S(x), дифференцируя которые, находят распределение интенсивности пучков в фокальной плоскости.
1
2
3
1
2
3
Получение технического результата - субмикронной точности измерения взаимного положения трех пучков, обеспечивается одновременным измерением световых потоков при каждом положении ножа, позволяющим за один проход ножа определить все функции S(x), S(x), S(х). При этом исключается требование высокой абсолютной точности (~100 нм) измерения координаты ножа, которое является основным при последовательном измерении функций S(x), S(x), S(x). Достаточно лишь относительной точности измерения координат ножа ~100 нм, реализуемой, в механических приводах средней точности.
Пример 2
1
2
1
2
1
2
На Фиг. 7 продемонстрирована схема модуляции двух перекрывающихся пучков. Лазерные пучки B и В с величинами световых потоков P=2 мВт, Р=2 мВт проходят через механический прерыватель (модулятор) 1, формирователь 7 и электрооптический модулятор 8, которые модулируют интенсивности пучков функциями 1+wal(1, t/T) и 1+wal(2, t/T) (см. фиг. 8), после чего совмещаются с помощью зеркала 9 и далее попадают в объектив 2 с числовой апертурой 0,4. Вдоль фокальной плоскости перемещают по двум координатам двойной нож 4 (фиг. 2б)), из положения, когда оба пучка открыты в положение, когда оба пучка закрыты. Измерения проводят сначала по координате X, затем по координате Y. С помощью фотодиода 5, установленного за фокальной плоскостью 3, подключенного к векторному синхронному усилителю 6, регистрируют две ортогональные функции, и, одновременно, координаты двойного ножа. Микрометрический привод диафрагмы XY и усилитель 6 управляются от компьютера 10. Результаты измерений по двум координатам приведены на фиг. 9а) и б). На фиг. 9а) сплошными кривыми 1 и 2 показаны результаты одновременного измерения потоков пучков B и В при движении ножа по координате X. Пунктирными кривыми 1 и 2 показаны, соответствующие им распределения интенсивности пучков, полученные численным дифференцированием. Стрелками отмечены вычисленные положения центров масс пучков 4,9 мкм и 5,4 мкм. Таким образом, расстояние между пучками по координате X составляет 0,5 мкм. Ширина пучков на полувысоте по этой координате составляет 1,9 мкм и 4,2 мкм. На фиг. 9б) показаны результаты аналогичных измерений для случая, когда нож двигался по координате Y. В этом случае положение центров масс пучков составило 8,2 мкм и 8,6 мкм, поэтому расстояние между пучками по координате Y составляет 0,4 мкм. Ширина пучков на полувысоте по этой координате составляет 2,5 мкм и 5 мкм. Здесь, также как в Примере 1, технический результат - субмикронная точность измерения взаимного положения двух пучков, обеспечена одновременным измерением световых потоков при каждом положении ножа, позволяющем за первый проход ножа определить для обоих пучков зависимости световых потоков от координаты X ножа, а при втором проходе зависимости световых потоков обоих пучков от координаты Y. Абсолютные значения координат ножа не используются при определении взаимного положения пучков.
Таким образом, приведенный пример наглядно демонстрирует возможность одновременного определения распределения интенсивности и взаимного расположения, в том числе частично совпадающих в пространстве пучков.