СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (ДОЭ)
METHOD OF MONITORING ERROR OF MAKING DIFFRACTION OPTICAL ELEMENTS (DOE)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим средствам измерения и способам контроля линейных размеров дифракционных оптических элементов (ДОЭ) в процессе изготовления. Изобретение также может быть применено в оптическом приборостроении, в частности при изготовлении высокоточных и крупноразмерных дифракционных оптических элементов, таких как корректоры волнового фронта, дифракционные линзы, фокусаторы, оптические лимбы, шкалы и растры.
Известно техническое решение, реализованное в устройстве для контроля погрешности изготовления ДОЭ (например, шкал), основанном на интерферометрической регистрации карты разности фаз световых волн отраженных и дифрагированных, соответственно, от эталонной пластины и от контролируемой оптической детали, выполненной в виде дифракционной решетки (Патент на полезную модель №: 135116 «Оптическая угловая шкала и система контроля погрешности ее изготовления», МПК G01B 9/02, G01D 5/38, опубликовано 27.11.2013 г.).
Недостатком известного технического решения является большая погрешность контроля изготовления ДОЭ, а также ограниченная номенклатура типов контролируемых ДОЭ, а именно, линейных или скрещенных решеток.
Известно техническое решение, представленное в способе контроля погрешности изготовления ДОЭ (Авторское свидетельство №1670387 «Способ контроля точности изготовления круговых структур», МПК G01B 11/16, опубликовано 15.08.91.), выбранное в качестве прототипа.
Техническое решение включает использование оптической заготовки, содержащей в поверхностном слое координатные метки и дифракционную структуру в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных зон, в процессе изготовления ДОЭ координатные метки наносят на оптическую заготовку с заданными интервалами, после изготовления проводят измерения характеристик координатных меток.
В известном способе изготовление дифракционной структуры осесимметричного ДОЭ и координатных меток, выполненных в виде колец, проводят на вращающейся оптической заготовке с поверхностным слоем (пленка алюминия) путем воздействия на этот слой, например, режущим алмазным инструментом. После окончания изготовления с помощью измерительного микроскопа измеряют расстояние между каждой координатной меткой, выполненной в виде кольца, и началом координат, которое расположено в центре оптической заготовки и сравнивают с заданным расчетным расстоянием.
Недостатком данного технического решения является большая погрешность контроля изготовления дифракционной структуры по положению координатных меток, особенно при изготовлении ДОЭ большого размера в полярной системе координат, а также невозможность контроля погрешности изготовления дифракционной структуры одновременно как в радиальном, так и в угловом направлениях (по двум ортогональным направлениям).
Перед авторами ставилась задача разработать способ уменьшения погрешности контроля при изготовления дифракционной структуры ДОЭ по положению координатных меток как в радиальном, так и в угловом направлениях, при изготовлении ДОЭ в полярной системе координат.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе контроля погрешности изготовления ДОЭ, включающем использование оптической заготовки, содержащей в поверхностном слое координатные метки и дифракционную структуру в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных зон, координатные метки наносят на оптическую заготовку с заданными интервалами в процессе изготовления ДОЭ, после изготовления проводят измерение характеристик координатных меток, кроме того, дополнительно на оптической заготовке формируют контрольные окна без дифракционной структуры для нанесения координатных меток, а каждую координатную метку выполняют состоящей хотя бы из двух групп периодических решеток, причем первую группу периодических решеток наносят в контрольные окна до начала изготовления дифракционной структуры, а последующие группы периодических решеток наносят одновременно с изготовлением ДОЭ сразу же после окончания нанесения первой группы периодических решеток во всех координатных метках, а после окончания процесса изготовления ДОЭ измеряют характеристику контрольных меток в виде взаимного смещения первой группы периодических решеток относительно последующих групп периодических решеток, причем координатные метки наносятся попарно, а направления периодических решеток в них ортогональны, при этом погрешность изготовления ДОЭ определяют в каждой координатной метке по взаимному смещению первой группы периодических решеток относительно последующих групп периодических решеток по формулам
x
x
x
W=KλS/T
y
y
y
W=KλS/T,
x
y
y
x
х
y
где W и W - соответственно, погрешности изготовления ДОЭ по двум ортогональным направлениям, K - номер порядка дифракции света, λ - длина волны света, S и S - смещение двух групп периодических решеток в паре координатных меток, Т и T - периоды дифракционной структуры в области координатной метки, далее смещение двух групп периодических решеток в каждой паре координатных меток определяют по их сглаженным изображениям методом расшифровки интерферограмм.
Технический эффект заявляемого изобретения заключается в уменьшении погрешности контроля при изготовления дифракционной структуры ДОЭ по двум ортогональным направлениям и, следовательно, в увеличении точности и достоверности формирования с помощью ДОЭ асферических волновых фронтов для контроля асферической оптики.
На фиг. 1 представлена схема, поясняющая работу заявляемого способа контроля погрешности изготовления дифракционных оптических элементов, где 1 - оптическая заготовка, 2 - ось вращения оптической заготовки, 3 - контрольное окно, 4 - дифракционная структура, 5 - координатная метка.
На фиг. 2 представлена координатная метка с двумя группами периодических решеток при отсутствии смещения, где 6 - первая группа периодических решеток, 7 - последующая группа периодических решеток.
На фиг. 3 представлена координатная метка с двумя группами периодических решеток при наличии смещения, где 6 - первая группа периодических решеток, 7 - последующая группа периодических решеток.
На фиг. 4 представлены две координатные метки с двумя группами периодических решеток при отсутствии смещения, где 6 - первая группа периодических решеток, 7 - последующая группа периодических решеток.
На фиг. 5 представлены две координатные метки с двумя группами периодических решеток при наличии смещения, где 6 - первая группа периодических решеток, 7 - последующая группа периодических решеток.
На фиг. 6 приведен пример полученных экспериментально изображений координатной метки с двумя группами периодических решеток, (а) изображение координатной метки, где 8 - изображение, нанесенное на оптическую заготовку, первой группы периодических решеток, 9 - изображение, нанесенное на оптическую заготовку, последующей группы периодических решеток, (б) сглаженное изображение, где 10 - сглаженное изображение, нанесенное на оптическую заготовку, первой группы периодических решеток, 11 - сглаженное изображение, нанесенное на оптическую заготовку, последующей группы периодических решеток, (в) результат трассировки хребтовыми линиями, где 12 -трассированное изображение нанесенной первой группы периодических решеток, 13 - трассированное изображение нанесенной последующей группы периодических решеток, 14 - хребтовые линии, полученные методом трассирования.
На фиг. 7 приведен пример полутоновой карты координатной метки, полученной методом расшифровки интерферограмм (а), и график сечения полутоновой карты (б), где (а) 15 - сечение, 16 - несколько сечений полутоновой карты для получения усреднения, 17 - график, характеризующий погрешность изготовления ДОЭ (б) в данной координатной метке.
На фиг. 8 приведен пример зависимости погрешности изготовления ДОЭ от величины перемещения записывающего лазерного пучка по оптической заготовке, где 18 - график погрешности.
Процесс изготовления дифракционных оптических элементов (ДОЭ) включает два основных этапа: нанесение дифракционной структуры и контроль погрешностей изготовления. Изготовление ДОЭ осуществляют с помощью устройства лазерной записи в полярной системе координат (например, патент РФ №2540065 «Способ изготовления дифракционного оптического элемента (ДОЭ)» / Авторы: Полещук А.Г., Корольков В.П., Шиманский Р.В., Черкашин В.В. - Опубл. 27.01.2015). Оптическая заготовка 1 приводится в непрерывное вращение, а записывающий лазерный пучок перемещается по поверхности оптической заготовки 1 вдоль оси X (в радиальном направлении оптической заготовки), например, от внешней границы оптической заготовки 1 к оси вращения 2 оптической заготовки, как показано на фиг. 1. За счет вращения оптической заготовки 1 осуществляется перемещение записывающего лазерного пучка в угловом направлении φ. Центр записывающего лазерного пучка совмещается перед началом изготовления ДОЭ с началом координат Х=0 и Y=0 и осью вращения 2 оптической заготовки. Величина перемещения записывающего лазерного пучка вдоль координат X и Y непрерывно контролируется измерительным устройством, например, лазерным интерферометром, входящим в состав устройства лазерной записи.
Процесс изготовления ДОЭ, состоящего из дифракционной структуры 4 в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных зон (выполненных, например, из хрома) и координатных меток 5, основан на экспонировании локального участка светочувствительного поверхностного слоя оптической заготовки 1 сфокусированным лазерным пучком. В процессе изготовления на оптической заготовке 1 формируют контрольные окна 3 без дифракционной структуры 4. Координатные метки 5 наносят в контрольные окна 3, которые располагаются на поверхности оптической заготовки 1 с заданными интервалами С, например, вдоль координаты X (по радиусу оптической заготовки), как показано на фиг.1. Величина интервала С выбирается в диапазоне С=0.5÷5 мм в зависимости от параметров устройства лазерной записи.
1
2
2
Согласно заявляемому способу, каждая координатная метка 5 выполняется хотя бы в виде двух групп периодических решеток (фиг. 2). Период штрихов периодических решеток Τ выбирается в диапазоне 1.5÷5 мкм. Первая группа периодических решеток, например 6, наносится до начала изготовления дифракционной структуры 4. Размер первой группы периодических решеток 6 выбирается так, чтобы время нанесения было небольшим, и, следовательно, дрейф координаты записывающего лазерного пучка заведомо отсутствовал или был мал. Например, если размер координатной метки 5 составляет h=30×30 мкм, то при скорости вращения оптической заготовки 1 n=20 об/сек и шаге перемещения записывающего лазерного пучка s=0.5 мкм, время нанесения координатной метки 5 составит около t=3 сек, а всей линейки, состоящей, например, из 10 координатных меток, составит около t=30 сек. При характерной величине температурного дрейфа устройства лазерной записи около 1 мкм за 2.5 часа работы, величина дрейфа за время t нанесения линейки будет менее 3 нм, что много меньше шага перемещения s. Таким образом можно считать, что все первые группы периодических решеток в координатных метках нанесены без погрешностей.
Так как процесс изготовления ДОЭ осуществляется в полярной системе координат, то штрихи групп периодических решеток 6 и 7, которые ориентированы вдоль траектории движения сфокусированного лазерного пучка, представляют собой отрезки дуг. Однако, если выполняется условие C>>h, то штрихи имеют вид коротких прямых отрезков вдоль оси Y, как показано на Фиг. 1.
Последующая группа (например, вторая) периодических решеток, например 7 (фиг. 2), наносится одновременно с нанесением дифракционной структуры 4 ДОЭ. Этот процесс нанесения начинается сразу после окончания нанесения первой группы периодических решеток 6 во всех координатных метках 5. В области координатных меток 5 дифракционная структура 4 отсутствует. Так как размер h координатных меток 5 мал, они не вносят искажений в работу изготовленных ДОЭ.
x
x
Время нанесения дифракционной структуры 4 ДОЭ составляет несколько часов. При нормальной работе устройства лазерной записи температурный дрейф корректируется и смещение между первой группой периодических решеток 6 и последующей группой периодических решеток 7 отсутствует или мало. Однако из-за погрешностей работы устройства лазерной записи, возможно возникновение температурного дрейфа как по оси координат X, так и по оси Y. При этом между первой группой периодических решеток 6 и последующей группой периодических решеток 7, расположенных вдоль оси X, возникает смещение S, как показано на фиг. 3. Так как штрихи периодических решеток 6 и 7 ориентированы вдоль оси Y, смещение S характеризует величину дрейфа вдоль координаты X.
Для того чтобы одновременно регистрировать погрешность изготовления ДОЭ как по координате X, так и по координате Y, координатные метки 5 наносятся попарно, а направления штрихов периодических решеток в них ортогональны, как показано на фиг. 4.
Погрешность изготовления ДОЭ определяют в каждой координатной метке 5 по взаимному смещению первой группы периодических решеток 6 относительно последующих групп периодических решеток 7 по формулам
x
y
y
x
x
y
где W и W - соответственно, погрешности изготовления ДОЭ по двум ортогональным направлениям, K - номер порядка дифракции света, λ - длина волны света, S и S - смещение групп периодических решеток в паре координатных меток, T и T - периоды дифракционной структуры.
x
y
Величины W и W вычисляются в области каждой координатной метки 5 и характеризуют искажения волнового фронта, дифрагированного на ДОЭ. Величина этих искажений определяет пригодность данного ДОЭ, например, для контроля асферической оптики.
Координатная метка 5 может быть выполнена в виде трех групп (фиг. 5) периодических решеток. В этом случае вначале наносится, например, первая группа периодических решеток 6, а затем последующая группа периодических решеток 7, которая состоит из двух групп периодических решеток, расположенных симметрично относительно первой группы периодических решеток 6. Симметричное расположение первой группы периодических решеток 6 и последующей группы периодических решеток 7 позволяет увеличить точность измерения смещения, так как штрихи групп периодических решеток 6 и 7 образуют бисектор.
x
Группы периодических решеток (фиг. 2 - фиг. 5) в координатных метках 5 выглядят как интерферограммы, где изображения штрихов могут быть представлены как интерференционные полосы. При этом смещение S между группами периодических решеток (фиг. 3) интерпретируется как смещение интерференционных полос. Смещение двух групп периодических решеток и, соответственно, интерференционных полос, в каждой паре координатных меток 5 определяют по их сглаженным изображениям методом расшифровки интерферограмм с использованием программы, например, ZEBRA (В.К. Кириловский. Оптические измерения. Часть 5. Аберрации и качество изображения. Спб ГУ ИТМО. 2006. - 107 С. http://aco.ifmo.ru/upload/publications/bookopt_mes_part5.pdf), или аналогичной. Полученный результат измерения непосредственно соответствует формуле (1) при K=1.
В качестве примера на фиг. 6а приведено изображение координатной метки (микроскоп C. Zeiss с видеокамерой 3072×2048 пикселей) с периодом Т=3 мкм, ее сглаженное изображение (фиг. 6б) и результат трассировки хребтовыми линиями 14 (фиг. 6в), полученный с помощью программы расшифровки интерферограмм POINT (см. В.Г. Максимов, В.А. Тартаковский, С.А. Чудинов. Программный комплекс для обработки интерференционных измерений / Международная конференция Интерэкспо Гео-Сибирь, Новосибирск 2013. - №3. - том 5. - C. 1-6, http://geosiberia-2013.ssqa.ru/events/conference-5/sekcia-5-2). На фиг. 7а приведен пример построения полутоновой карты с помощью программы расшифровки интерферограмм, в которой уровни серого отображают величину смещения интерференционных полос в этой координатной метке. График 17 поперечного сечения 15 полутоновой карты показан на фиг. 7б. Величина смещения определяется по графику 17, характеризующему погрешность изготовления ДОЭ в данной координатной метке как S=0.4T. В данном примере при Т=3 мкм смещение, обусловленное погрешностью изготовления ДОЭ, составляет S=1.2 мкм. Для уменьшения погрешности измерения и устранения случайных шумов проводится усреднение полутоновой карты по нескольким сечениям 16 полутоновой карты для получения усреднения.
На фиг. 8 приведен пример зависимости погрешности изготовления осесимметричного ДОЭ диаметром 100 мм от величины перемещения записывающего лазерного пучка по оптической заготовке, вдоль оси координат X изготавливаемого ДОЭ. Координатные метки наносились с интервалом С=2.5 мм. Их координаты вдоль оси X отмечены на фиг. 8 кружками. График погрешности 18 показывает, что, начиная с величины перемещения (координаты) 35 мм, скорость дрейфа значительно увеличилась.
x
y
Программы расшифровки интерферограмм имеют собственную погрешность измерения смещения интерференционных полос 0.01λ-0.001λ. Таким образом, при Т=2 мкм, K=1, λ~633 нм, минимальная обнаруживаемая погрешность, как следует из выражения (1), будет равна W=W=(0.01-0.001)λ или 0.6-6 нм, что значительно меньше, чем погрешность измерения смещения, выполненная с помощью измерительного микроскопа.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает высокоточный контроль погрешности изготовления дифракционной структуры ДОЭ одновременно по двум координатам. Это позволяет повысить точность и достоверность формирования асферических волновых фронтов с помощью ДОЭ, предназначенных для контроля формы асферической оптики, в том числе внеосевых сегментов, цилиндров, торических линз, поверхностей свободной формы и т.п.