ЭТАЛОННЫЙ ДИФРАКЦИОННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ)
REFERENCE DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT (VERSIONS)

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к изготовлению высокоточных дифракционных оптических элементов (ДОЭ), таких как корректоры волнового фронта (аберраций) и дифракционные эталонные линзы, предназначенные для контроля качества оптических поверхностей интерферометрическим методом с использованием интерферометров Физо.
ДОЭ является амплитудной и/или фазовой (рельефной) дифракционной структурой выполненной в поверхностном слое оптической подложки. Дифракционная структура ДОЭ рассчитывается с помощью компьютера и изготавливается методами прецизионной лазерной или электронно-лучевой литографии и реактивно-ионного травления.
Известен ДОЭ, включающий оптическую подложку с поверхностным слоем, содержащим рельефную дифракционную структуру, выполненную в тонкой пленке (Патент US 20050157391, «Diffractive optical element», МПК G03F 9/00, опубликован 21.07.2005).
Недостатком данного ДОЭ является отсутствие возможности формирования измерительного сферического и/или асферического волнового фронта на выходе и плоского опорного волнового фронта на отражение.
Известен ДОЭ, выполненный на алмазных и алмазоподобных подложках, используемый в представленном техническом решении (Патент РФ 2197006, «Способ изготовления дифракционных оптических элементов на алмазных и алмазоподобных подложках», МПК G02B 5/18, G03F 7/36, C30B 33/12, B28D 5/00, опубликовано 20.01.2003). ДОЭ включает в себя каталитическую маску, которая формируется путем нагрева структуры в среде транспортного газа широкоапертурным потоком излучения с длиной волны, лежащей в окне прозрачности обрабатываемого материала.
Недостатком данного ДОЭ является отсутствие возможности формирования измерительного сферического и/или асферического волнового фронта на выходе и плоского опорного волнового фронта на отражение.
Известен ДОЭ, состоящий из оптической пластины с поверхностным слоем, содержащим дифракционную структуру, выполненную в виде набора зон (Патент US 5818632, «Multi-element lens system», МПК G02B 27/44, G02B 5/18, G01B 9/02, G01B 11/00, опубликован 06.10.1998), выбранный в качестве прототипа.
Представленное техническое решение работает следующим образом, входное оптическое излучение с плоским волновым фронтом с выхода интерферометра Физо поступает на вход многоэлементной линзовой системы и преобразуется в сферический волновой фронт на выходе. Этот волновой фронт называется измерительным и служит эталоном для проверки сферических поверхностей оптических деталей. Часть оптического излучения (около 4%) отражается внутри устройства от апланатической поверхности выходной линзы строго назад, формируя плоский волновой фронт, идентичный входному, но распространяющийся навстречу. ДОЭ, установленный внутри линзовой системы, служит для исправления аберраций. Этот волновой фронт является опорным. ДОЭ состоит из оптической подложки с поверхностным слоем, содержащим рельефную дифракционную структуру, выполненную в виде набора зон.
Недостатком данного технического решения является сложность конструкции устройства, состоящего из набора оптических линз, с различными радиусами кривизны и ДОЭ, выполненного в поверхностном слое плоской стороны оптической подложки. Большая сложность конструкции обуславливает увеличение стоимости устройства, а также снижение точности формирования измерительного волнового фронта. Это связано с возникновением паразитных бликов в многолинзовой системе устройства, содержащей ДОЭ, а также с низким контрастом интерференционных полос, так как измерительный и опорный волновые фронты имеют разную интенсивность. Данное устройство также имеет большие габариты и вес. Это затрудняет его применение в интерферометрах с переменным фазовым сдвигом, когда необходимо быстро (за время менее 0.1-0.5 с) перемещать устройство вдоль оптической оси для получения нескольких интерферограмм с фазовым сдвигом от 0 до 2π. Известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности. Устройство позволяет формировать только единственный сферический измерительный волновой фронт. Оно не позволяет формировать эталонные асферические волновые фронты, а также одновременно сходящиеся и расходящиеся сферические волновые фронты. Из-за больших габаритов устройства и многолинзовой конструкции световой диаметр измерительного волнового фронта всегда меньше светового диаметра входного, что ограничивает размер контролируемых оптических деталей.
Перед авторами ставилась задача разработать устройство - эталонный дифракционный оптический элемент (ДОЭ), способный формировать эталонный сферический и/или асферический измерительный волновой фронт на выходе и плоский опорный волновой фронт на отражение, а также больший световой диаметр измерительного волнового фронта, равный входному. Измерительный волновой фронт должен служить эталоном для проверки сферических и/или асферических оптических поверхностей интерферометрическим методом. Устройство должно иметь малые габариты и вес.
Поставленная задача решается тем, что, по первому варианту, в эталонном ДОЭ, состоящем из оптической пластины с поверхностным слоем, содержащим дифракционную структуру, выполненную в виде набора зон, причем оптическая пластина выполнена клинообразной, дополнительно поверхностный слой выполнен в виде либо одной, либо хотя бы двух лежащих друг на друге тонких оптических пленок с разными коэффициентами преломления и/или поглощения, причем зоны дифракционной структуры расположены во внешней по отношению к пластине пленке, глубина h рельефа зон дифракционной структуры определяется по формуле
k1(N-0.5)λ/2n<h<k2(N+0.5) λ/2n,
где λ - рабочая длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления поверхностного слоя, содержащего зоны дифракционной структуры, k1=1.05-1.2 и k2=0.85-0.95 - постоянные коэффициенты, N=N1, N1+1, N1-1, где N1 выбирается по формуле
N1=ROUND(n/(n-1)),
где ROUND - функция округления до ближайшего целого, причем оптическая пластина выполнена с величиной угла клина более 1 угловой минуты.
По второму варианту, в эталонном ДОЭ, состоящем из оптической пластины с поверхностным слоем, содержащим дифракционную структуру, выполненную в виде набора зон, причем оптическая пластина выполнена клинообразной, зоны дифракционной структуры выполнены диффузно отражающими и/или рассеивающими оптическое излучение.
По третьему варианту, в эталонном ДОЭ, состоящем из оптической пластины с поверхностным слоем, содержащим дифракционную структуру, выполненную в виде набора зон, дополнительно выполнено антиотражающее покрытие между дифракционной структурой и поверхностью пластины, а зоны дифракционной структуры выполнены металлическими, оптическая пластина выполнена клинообразной, причем антиотражающий слой выполнен, по крайней мере, из одной тонкой оптической пленки, имеющей толщину и коэффициент преломления, при котором коэффициент отражения света от поверхностного слоя на рабочей длине волны со стороны подложки в нулевом порядке дифракции дифракционной структуры менее 2%, далее зоны дифракционной структуры выполнены из хрома с толщиной не более 100 нм.
Технический эффект заявляемого устройства заключается в повышении точности измерений, увеличении светового диаметра измерительного волнового фронта, в возможности формирования как сферических, так и асферических измерительных волновых фронтов, упрощении конструкции, уменьшении габаритов и веса, а также в расширении функциональных возможностей.
На фиг.1 представлена схема эталонного ДОЭ, заявляемого по первому варианту, где 1 - оптическая пластина, 2 - дифракционная структура, 3 - зоны дифракционной структуры, 4 - волновой фронт входного оптического излучения, 5 - поверхностный слой, 6 - первая поверхность оптической пластины, 7 - сходящийся сферический волновой фронт, 8 - расходящийся сферический волновой фронт, 9 - вогнутая поверхность контролируемой линзы, 10 - измерительный волновой фронт, 12 - отраженное от зон дифракционной структуры оптическое излучение, 13 - отраженное от промежутков между зон дифракционной структуры оптическое излучение, 14 - отраженное оптическое излучение (опорный волновой фронт).
На фиг.2 приведен график нормированной зависимости интенсивности отраженного оптического излучения от глубины рельефа зон дифракционной структуры, где 11 - нормированная зависимость интенсивности измерительного волнового фронта от глубины рельефа зон дифракционной структуры, 15 - нормированная зависимость интенсивности отраженного оптического излучения (опорный волновой фронт) от глубины рельефа зон дифракционной структуры, 16 - область совпадения максимумов интенсивности измерительного и опорного волновых фронтов.
На фиг.3 приведен график зависимости контраста интерференционных полос от глубины рельефа зон, где 16, 17 и 18 - области минимального изменения контраста интерференционных полос.
На фиг.4 приведен пример выполнения эталонного ДОЭ с поверхностным слоем 5, состоящим из двух пленок, где 19 - промежуточная оптическая пленка.
На фиг.5 приведен пример выполнения эталонного ДОЭ с поверхностным слоем 5, состоящим из трех пленок, где 20 - первая оптическая пленка, 21 - вторая оптическая пленка.
На фиг.6 приведен пример зависимости коэффициента отражения от длины волны, где 22 - область минимума коэффициента отражения.
На фиг.7 приведен пример зависимости контраста интерференционных полос от глубины зон, где 23 - область с контрастом, равным 1.
На фиг.8 приведена схема выполнения эталонного ДОЭ, заявляемого по второму варианту, где 24 - диффузно отражающая и/или рассеивающая зона, 25 и 27 - входное оптическое излучение, 26 - оптическое излучение, прошедшее сквозь диффузно отражающие и/или рассеивающие зоны дифракционной структуры, 28 - оптическое излучение, прошедшее между диффузно отражающими и/или рассеивающими зонами дифракционной структуры.
На фиг.9 приведена схема выполнения эталонного ДОЭ, заявляемого по третьему варианту, где 29 - зоны дифракционной структуры, выполненные в виде пленки металла, 30 - антиотражающий слой.
Эталонный дифракционный оптический элемент (ДОЭ), заявляемый по первому варианту, работает следующим образом. Эталонный ДОЭ состоит из оптической пластины 1 с поверхностным слоем 5, содержащим рельефную дифракционную структуру 2, которая выполнена в виде набора зон дифракционной структуры 3 с формой рельефа, близкой к прямоугольной (фиг.1). Дифракционная структура 2, выполненная в поверхностном слое 5, расположена на внешней, по отношению к волновому фронту входного оптического излучения 4, первой поверхности 6 оптической пластины 1. Дифракционная структура 2, выполненная в виде набора зон, представляет собой, например, фазовую зонную пластинку (Ландсберг Г.С. Оптика. 6-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, стр. 145) или корректор волнового фронта.
0
1
i
Входное оптическое излучение I с плоским волновым фронтом 4 проходит оптическую подложку 1 и разлагается на m дифракционных порядков на дифракционной структуре 2. Если дифракционная структура 2 выполнена в виде фазовой зонной пластинки, то оптическое излучение в дифракционном порядке m=1 образует сходящийся сферический волновой фронт 7 и фокусируется в точке O. Этот волновой фронт называется измерительным и служит эталоном для проверки сферических поверхностей оптических деталей, например вогнутой поверхности контролируемой линзы 9. Световой диаметр измерительного волнового фронта равен диаметру входного волнового фронта 4. Одновременно со сходящимся сферическим волновым фронтом 7 в дифракционном порядке m=-1 формируется и расходящийся сферический волновой фронт 8, который используется, например, для контроля выпуклых поверхностей линз или зеркал. Радиусы границ зон r фазовой зонной пластинки определяются по формуле:
<mrow><msub><mi>r</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>k</mi><mi>λ</mi><mi>f</mi><mo>+</mo><msup><mi>k</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>λ</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>   (1)</mtext></mrow>
1
где k=1, 2, 3…, - целое число, i=1, 2, 3 - номера границ зон, f - фокусное расстояние зонной пластинки, равное расстоянию между точками O и O (Фиг.1), λ - длина волны оптического излучения.
Если дифракционная структура 2 представляет собой корректор волнового фронта, то радиусы зон корректора находятся, например, с помощью полиномов Цернике (Ping Su, Jianshe Ma, et al. Computer generated hologram null test of a freeform optical surface with rectangular aperture// Opt. Eng. 2012, 51 №2, 025801).
Интенсивность оптического излучения на выходе дифракционной структуры 2 в дифракционном порядке m≠0, например в m=1, описывается (без учета потерь на отражение) выражением:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>m</mi><mo>≠</mo><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msubsup><mi>A</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>A</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>A</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ϕ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup><mi>sin</mi><mtext> </mtext><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>m</mi><mi>D</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>   (2)</mtext></mrow>
0
1
1
1
где A и A - амплитуды оптического излучения, прошедшего, соответственно, сквозь зоны дифракционной структуры и промежутки между зонами дифракционной структуры, φ=2πh(n-1)/λ - фаза оптического излучения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя, в котором выполнена дифракционная структура, h - глубина рельефа зон дифракционной структуры, D=b/T - скважность дифракционной структуры, T - период дифракционной структуры, b - ширина углубления (зоны) дифракционной структуры, m= ±1, ±2, ±3…, - порядок дифракции.
1
0
1
Выражение (2) для интенсивности оптического излучения I в дифракционном порядке m=1 при A=A=1 и D=0.5 запишется в виде:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mn>0.5</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>h</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>λ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0.5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext>   (3)</mtext></mrow>
1
Из выражения (3) следует, что интенсивность оптического излучения I после прохождения дифракционной структуры 2 будет максимальной, если глубина рельефа зон дифракционной структуры определяется формулой
<mrow><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>λ</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>   (4)</mtext></mrow>
1
1
0
Например, при λ=632 нм, n=1.46 глубина рельефа зон будет h=0.68 мкм, а интенсивность оптического излучения на выходе дифракционной структуры, вычисленная по формуле (3), будет I=0.4051 I.
Отношение интенсивности оптического излучения в дифракционном порядке m на выходе дифракционной структуры к интенсивности оптического излучения на ее входе называется дифракционной эффективностью η и описывается выражением:
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mtext>   (5)</mtext></mrow>
Оптическое излучение измерительного сходящегося сферического волнового фронта 7 отражается от вогнутой поверхности контролируемой линзы 9, снова проходит дифракционную структуру 2, испытывая дифракцию, и формирует выходной измерительный волновой фронт 10. Интенсивность оптического излучения измерительного волнового фронта 10 описывается выражением:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>t</mi><mi>e</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>η</mi><mn>2</mn></msup><mi>r</mi><mo>,</mo><mtext>   (6)</mtext></mrow>
test
0
-3
где r - коэффициент отражения вогнутой поверхности контролируемой линзы 9. При r=5% и η~0.4 интенсивность оптического излучения будет: I=8·10I.
test
0
На фиг.2 приведен график 11 нормированной зависимости I/I интенсивности измерительного волнового фронта 10 от глубины рельефа зон дифракционной структуры при λ=633 нм, n=1.46 и коэффициенте отражения вогнутой поверхности контролируемой линзы 9 r=5%.
ref
Часть волнового фронта входного оптического излучения 4 отражается поверхностным слоем 5, содержащим дифракционную структуру 2. Так как первая поверхность 6 оптической пластины 1 имеет хорошую плоскостность (отклонение от плоскостности менее 1/20-1/100 длины волны), то отраженное оптическое излучение будет также иметь плоский волновой фронт I. Этот волновой фронт называется опорным.
Оптическая пластина 1 выполнена клинообразной для того, чтобы отраженное от первой поверхности 6 оптической пластины оптическое излучение не смешивалось с оптическим излучением, отраженным от второй (противоположной) поверхности этой оптической пластины. Угол α клина выбирается более α>1 угловой минуты, предпочтительно в диапазоне от α=1 до α=15 угловых минут. Отраженное от второй поверхности оптическое излучение отклоняется в сторону и не создает оптических помех.
Отражение волнового фронта входного оптического излучения 4 происходит как от зон 3 дифракционной структуры, так и от промежутков между зонами дифракционной структуры 2. Отраженное от зон дифракционной структуры оптическое излучение 12 и отраженное от промежутков между зон дифракционной структуры оптическое излучение 13 интерферируют между собой, образуя опорный волновой фронт. Интенсивность отраженного оптического излучения (опорный волновой фронт) 14 в нулевом (m=0) порядке дифракции описывается выражением:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mi>D</mi><mo>+</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mi>j</mi><mi>ψ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>D</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext>   (7)</mtext></mrow>
ref1
ref0
где A - амплитуда отраженного оптического излучения от зоны дифракционной структуры 12, A - амплитуда отраженного от промежутков между зонами дифракционной структуры оптического излучения 13. Фаза отраженного зоной дифракционной структуры оптического излучения описывается формулой:
<mrow><mi>ψ</mi><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>π</mi><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub><mi>n</mi><mo>/</mo><mi>λ</mi><mtext>  (8)</mtext></mrow>
2
где h - глубины рельефа дифракционной структуры для получения максимальной величины коэффициента отражения, n - коэффициент преломления материала поверхностного слоя, в котором выполнена дифракционная структура, λ - длина волны оптического излучения.
2
ref0
ref1
d
0
d
2
2
Фаза ψ отраженного оптического излучения пропорциональна глубине h рельефа. Если коэффициенты отражения оптического излучения от зон дифракционной структуры и промежутков между зонами одинаковые, т.е. |A|=|A|=rI, где r - коэффициент отражения поверхностного слоя дифракционной структуры 2, и D=0.5, то выражение (7) для интенсивности отраженного оптического излучения 14 (опорный волновой фронт) запишется в виде:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0.5</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>d</mi></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ψ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext>   (9)</mtext></mrow>
d
На фиг.2 приведен график 15 нормированной зависимости интенсивности отраженного оптического излучения 14 от глубины рельефа зон дифракционной структуры при λ=633 нм, коэффициенте отражения поверхностного слоя n=1.46, r=4%.
Формула для глубины рельефа зон для получения максимальной величины коэффициента отражения получается из выражения (8) при величине фазы ψ отраженного оптического излучения кратной, 2π:
<mrow />
<mrow><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>N</mi><mi>λ</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>n</mi><mtext>   (10)</mtext></mrow>
2
где N=0, 1, 2, 3, 4…, - целое число. Например, при λ=632 нм, n=1.46, N=3 глубина рельефа зон должна быть h=0.65 мкм.
Оптимальное значение N находится, если приравнять выражения (4) и (10) и взять от них целую часть:
<mrow><msub><mi>N</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>R</mi><mi>O</mi><mi>U</mi><mi>N</mi><mi>D</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>   (11)</mtext></mrow>
где ROUND - функция округления до ближайшего целого. При значении N=N1 интенсивности измерительного и опорного оптического излучения максимальны.
Из примера, приведенного на Фиг.2, следует, что максимум нормированной зависимости интенсивности измерительного волнового фронта 11 от глубины рельефа зон дифракционной структуры практически совпадает с максимумом отраженного оптического излучения, представленного на графике 15 в виде нормированной зависимости интенсивности отраженного оптического излучения от глубины рельефа зон дифракционной структуры, что отмечено на графике в виде заштрихованной области 16. Таким образом, область 16 - это область совпадения максимумов интенсивности измерительного и опорного волновых фронтов при N=3.
Интенсивность отраженного оптического излучения при оптимальном значении N (выражение (11)) описывается формулой:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mi>d</mi></msub><mo>.</mo><mtext>   (12)</mtext></mrow>
Одной из основных характеристик интерференционной картины при интерферометрических измерениях является контраст интерференционных полос, который описывается формулой:
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>t</mi><mi>e</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></msqrt></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>t</mi><mi>e</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>   (13)</mtext></mrow>
d
На фиг.3 в качестве примера приведен график зависимости контраста интерференционных полос от глубины рельефа зон дифракционной структуры при λ=633 нм, n=1.46, коэффициенте отражения вогнутой поверхности контролируемой линзы 9 r=5% и коэффициенте отражения поверхностного слоя r=4%. Видно, что величина контраста сильно зависит от глубины рельефа зон дифракционной структуры. При изготовлении ДОЭ глубина рельефа зон может меняться на небольшую величину (2-5%) по технологическим причинам. Из графика следует, что изменение величины контраста при вариации глубины зон дифракционной структуры минимально при N=2, 3 и 4 (на фиг.3 это середина заштрихованных областей 18, 16 и 17). Величина контраста резко меняется в диапазоне от V=1 до V=0 при глубине рельефа зон (см. формулу (10)) в окрестностях областей с N±0.5, например, при N=2.5, 3.5, 4.5… . Эти области являются нерабочими.
Таким образом, оптимальная глубина h рельефа зон дифракционной структуры определяется по формуле:
<mrow><mi>k</mi><mn>1</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><mo>−</mo><mn>0.5</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>λ</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>n</mi><mo><</mo><mi>h</mi><mo><</mo><mi>k</mi><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>0.5</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>λ</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>n</mi><mo>,</mo><mtext>   (13)</mtext></mrow>
min
max
где λ - рабочая длина волны оптического излучения, n - коэффициент преломления поверхностного слоя, содержащего зоны дифракционной структуры, k1=1.05-1.2 и k2=0.85-0.95 - постоянные коэффициенты, N=N1, N1+1, N1-1, где N1 вычисляется по формуле (11). Постоянные коэффициенты k1 и k2 определяют границы рабочих областей минимального изменения контраста интерференционных полос 16, 17 и 18 (Фиг.3). Так, например, при N=3, λ=633 нм, n=1.46, k1=1.15 и k2=0.9 глубина рельефа зон (заштрихованная область 16, фиг.3) должна быть в диапазоне от h=0.62 мкм до h=0.68 мкм. При этом величина контраста интерференционных полос будет изменяться менее чем на 10%.
2
2
3
ref
Выполнение зон дифракционной структуры 3 возможно непосредственно в поверхностном слое 5 оптической пластины 1 (фиг.1), однако технологически проще выполнять поверхностный слой в виде тонкой напыленной оптической пленки, например, из плавленого кварца (SiO). Поверхностный слой 5 может быть также выполнен в виде либо одной, либо нескольких лежащих друг на друге тонких оптических пленок с разными коэффициентами преломления и/или поглощения. На фиг.4 показан пример выполнения эталонного ДОЭ, который состоит из оптической пластины 1 с поверхностным слоем 5, выполненным в виде двух оптических пленок: промежуточной оптической пленки 19 и оптической пленки, содержащей дифракционную структуру 2. Промежуточная оптическая пленка 19 выполняется, например, слабо поглощающей. Коэффициент пропускания (без учета потерь на отражение) этой оптической пленки выбирается в диапазоне 0.85-0.95. Промежуточная оптическая пленка 19 выполняется, например, в виде тонкого слоя хрома с толщиной 2-5 нм или в виде напыленных смесей хрома, никеля, кварца или материала с более высоким коэффициентом преломления, например AlO и т.п., толщиной 5-20 нм. Внесение небольшого поглощения в промежуточной оптической пленке 19 уменьшает оптические шумы, возникающие из-за дифракции света на границах рельефных зон дифракционной структуры при их размерах менее 1-2 мкм (поверхностные волны), т.е. при размерах, соизмеримых с длиной волны света. Оптические шумы вызывают изменение коэффициента отражения I в зависимости от размеров зон дифракционной структуры. Устранение оптических шумов увеличивает точность измерений.
ref
test
Сравнивая результаты расчета интенсивностей оптического излучения с помощью выражений (6) и (9) видно, что интенсивность опорного оптического излучения волнового фронта I почти в 4 раза больше интенсивности измерительного оптического излучения измерительного волнового фронта I (кривые 11 и 15 на фиг.2). Это приводит к уменьшению контраста интерференционных полос (Фиг.3) до V=0.7 и, соответственно, к снижению точности работы.
ref
test
Для обеспечения контраста V=1 интенсивность оптического излучения опорного волнового фронта I должна равняться интенсивности оптического излучения измерительного волнового фронта I. Приравнивая выражения (9) и (12), получим выражение для необходимого коэффициента отражения поверхностного слоя:
<mrow><msub><mi>r</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><msup><mi>η</mi><mn>2</mn></msup><mi>r</mi><mo>.</mo><mtext>   (14)</mtext></mrow>
d
d
Например, если r=5% и η=0.4, то коэффициент отражения поверхностного слоя должен быть r=0.8%, а если r=1% и η=0.4, то коэффициент отражения поверхностного слоя должен быть r=0.16%.
Для того чтобы обеспечить контраст V=1, поверхностный слой выполняется в виде нескольких лежащих друг на друге тонких оптических пленок.
2
3
2
2
2
3
ref
test
d
На фиг.5 показан пример выполнения эталонного ДОЭ, который состоит из оптической пластины 1 с поверхностным слоем 5, выполненным в виде первой оптической пленки 20, второй оптической пленки 21 и оптической пленки, содержащей дифракционную структуру 2. Коэффициент преломления первой оптической пленки 20 выбирается в диапазоне n=1.9-2.1, например: окись иттербия (YbO), двуокись циркония (ZrO), окись гафния (HfO) и т.п. Коэффициент преломления второй оптической пленки 21 выбирается в диапазоне n=1.5-1.75, например: окись алюминия (AlO) (Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др. - М.: Советская энциклопедия, 1990. - Т. 2. - 671 с.). Толщины первой и второй оптических пленок выбираются для обеспечения требуемого значения коэффициента отражения. Для того чтобы интенсивности оптического излучения опорного и измерительного волновых фронтов были равны I=I, коэффициент отражения поверхностного слоя в выражении (14) должен быть r=0.8%. Пример расчета параметров оптических пленок для получения контраста V=1 приведен в Таблице 1. Зависимость коэффициента отражения от длины волны приведена на фиг.6. На длине волны 633 нм коэффициент отражения поверхностного слоя составляет 0.8-0.9% (заштрихованная область 22 - область минимума коэффициента отражения). Зависимость контраста интерференционных полос от глубины рельефа зон приведена на фиг.7. Видно, что на длине волны 633 нм коэффициент контраста равен 1 (заштрихованная область 23 - область с контрастом, равным 1), что обеспечивает высокий контраст интерференционных полос и соответственно высокую точность измерений.
Если вогнутая поверхности контролируемой линзы 9 имеет низкий коэффициент отражения (фиг.1), например r=1% (на вогнутую поверхность контролируемой линзы 9 нанесено просветляющее покрытие), то коэффициент отражения поверхностного слоя должен составлять 0.15-0.2%. Пример расчета параметров оптических пленок для получения контраста V=1 для контроля просветленной поверхности линзы приведен в Таблице 2. На длине волны 633 нм коэффициент отражения поверхностного слоя составляет 0.17%.
Таблица 1
Наименование
Материал
Коэффициент преломления
Толщина
Оптическая пластина 1
Плавленый кварц
1.46
-
Оптическая пленка 20
Окись гафния
1.98
25-35 нм
Оптическая пленка 21
Окись алюминия
1.62
120-160 нм
Оптическая пленка, содержащая дифракционную структуру 2
Двуокись кремния
1.46
650 нм
Среда
Воздух
1
-
Таблица 2
Наименование
Материал
Коэффициент преломления
Толщина
Оптическая пластина 1
Плавленый кварц
1.46
-
Оптическая пленка 20
Окись гафния
1.98
45-65 нм
Оптическая пленка 21
Окись алюминия
1.62
110-130 нм
Оптическая пленка, содержащая дифракционную структуру 2
Двуокись кремния
1.46
650 нм
Среда
Воздух
1
-
Второй вариант выполнения эталонного ДОЭ (фиг.8) состоит из оптической пластины 1 с поверхностным слоем 5, содержащим дифракционную структуру 2, которая выполнена в виде набора зон - диффузно отражающих и/или рассеивающих зон 24.
Оптическая пластина 1 выполнена клинообразной для того, чтобы отраженное от первой поверхности 6 оптической пластины оптическое излучение не смешивалось с оптическим излучением, отраженным от второй (противоположной) поверхности этой оптической пластины. Угол α клина выбирается более α>1 угловой минуты, предпочтительно в диапазоне от α=1 до α=15 угловых минут.
2
Диффузно отражающие и/или рассеивающие зоны 24 могут быть выполнены, например, в виде микроструктур, изготовленных методом реактивно-ионного травления в материале поверхностного слоя (например, пленке SiO). Микроструктуры имеют вид, например, пирамид с соприкасающимися основаниями. Поперечные размеры пирамид составляют менее длины волны света. Возможно выполнение микроструктур в виде столбиков с квадратной, круглой или произвольной формой основания и высотой до толщины поверхностного слоя 5. Период следования столбиков выбирается менее длины волны света.
H
H
H
Коэффициент направленного пропускания K такой диффузно отражающей и/или рассеивающей зоны равен отношению интенсивности оптического излучения 26, прошедшего сквозь диффузно отражающую и/или рассеивающую зону дифракционной структуры, не испытав рассеяния, к интенсивности входного оптического излучения 25. Коэффициент направленного пропускания участков между зонами дифракционной структуры (поток излучения 27, 28) близок к единице, так как рассеяние отсутствует. Диффузно отражающая и/или рассеивающая зона дифракционной структуры 24 выполняется таким образом, что K<<1, например K=0.01. В этом случае из выражений (2) и (5) следует, что дифракционная эффективность η~0.1, что соответствует дифракционной эффективности амплитудной зонной пластинке. Из выражения (14) следует, что если r=50% (линза 9 выполнена, например, из кремния, германия и т.п.) и η=0.1, то для получения высокого контраста (V>0.7) интерференционных полос коэффициент отражения поверхностного слоя должен быть 0.5-2%.
Интенсивность отраженного оптического излучения со стороны оптической пластины 1 в нулевом (m=0) порядке дифракции такого ДОЭ с диффузно отражающей и/или рассеивающей зоной 24 дифракционной структуры описывается выражением:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>r</mi><mi>d</mi></msub><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup><mo>.</mo><mtext>   (15)</mtext></mrow>
d
ref1
0
При D=0.5, r=4% интенсивность отраженного оптического излучения будет I=0.01I, т.е. коэффициент отражения поверхностного слоя составляет 1%. Контраст интерференционных полос (см. выражение (13)) будет V=0.95, что обеспечит высокую точность измерений.
Третий вариант выполнения эталонного ДОЭ (Фиг.9) состоит из оптической пластины 1 с поверхностным слоем 5, содержащим антиотражающий слой 30 и дифракционную структуру 2. Зоны 29 дифракционной структуры выполнены в виде пленки металла, например хрома.
Оптическая пластина 1 выполнена клинообразной для того, чтобы отраженное от первой поверхности 6 оптической пластины оптическое излучение не смешивалось с оптическим излучением, отраженным от второй (противоположной) поверхности этой оптической пластины 1. Угол α клина выбирается более α>1 угловой минуты, предпочтительно в диапазоне от α=1 до α=15 угловых минут. Оптическое излучение от второй поверхности отклоняется в сторону и не создает оптических помех.
2
3
4
2
3
Зоны 29 дифракционной структуры, выполненные в виде пленки металла, выполнены непрозрачными для оптического излучения, например хрома. В этом случае из выражений (2) и (5) следует, что дифракционная эффективность η~0.1, что соответствует дифракционной эффективности амплитудной зонной пластинки. Из выражения (14) следует, что если r=50% (линза, выполненная из кремния или германия) и η=0.1, то для получения высокого контраста (V>0.7) интерференционных полос коэффициент отражения поверхностного слоя должен быть 0.5-2%. Пленка хрома имеет достаточно высокий коэффициент отражения (около 50%). Для уменьшения коэффициента отражения между зонами 29 дифракционной структуры, которые выполнены в виде пленки металла, и первой поверхностью 6 оптической пластины дополнительно введен антиотражающий слой 30, выполненный, по крайней мере, из одной тонкой оптической пленки, например, имеющей коэффициент преломления n=2.1-3, например диоксид титана (TiO), нитрид кремния (SiN), висмут оксид (BiO) и т.д. Оптическая пленка антиотражающего слоя 30 имеет толщину и коэффициент преломления, при котором коэффициент отражения света от поверхностного слоя на рабочей длине волны со стороны подложки в нулевом порядке дифракции дифракционной структуры был бы менее 2%. Толщина металлической пленки хрома выбирается в диапазоне от 20 до 100 нм для обеспечения коэффициента пропускания зон 29 дифракционной структуры, выполненных в виде пленки металла много меньше 1.
Эталонный ДОЭ, зоны дифракционной структуры которого выполнены в виде тонкой металлической пленки, не требует при изготовлении формирования микрорельефа с заданной глубиной. Это существенно упрощается изготовление ДОЭ, так как не требует выполнения реактивно-ионного травления. Выполнение зон дифракционной структуры из хрома улучшает эксплуатационные свойства ДОЭ, например стойкость к механическим воздействиям.
Таким образом, заявляемые варианты выполнения эталонного ДОЭ имеют простую конструкцию, малые габариты и вес, а световой диаметр измерительного волнового фронта равен диаметру опорного волнового фронта. Высокая точность измерений обеспечивается отсутствием паразитных бликов и контрастом интерференционных полос, близким к единице, что позволяет производить измерение формы контролируемой поверхности (например, вогнутой поверхности контролируемой линзы 9) с большой точностью. Предложенный эталонный ДОЭ имеет расширенные функциональные возможности, так как позволяет формировать сферические или асферические измерительные волновые фронты.