Датчик автоматической фокусировки для круговых лазерных записывающих систем Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ДАТЧИК АВТОМАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ

ДЛЯ КРУГОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЗАПИСЫВАЮЩИХ СИСТЕМ

Александр Григорьевич Верхогляд

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, заведующий лабораторией, тел. (383)306-58-68, e-mail: verhog@tdisie.nsc.ru

Марина Андреевна Завьялова

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-58-66, e-mail: mzav@tdisie.nsc.ru

Виктор Павлович Корольков

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Ак. Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, е-mail: victork@iae.nsk.ru

В статье представлены результаты программного моделирования датчика положения для автоматической фокусировки излучения в круговых лазерных записывающих системах и результаты его использования для изготовления бинарных линз на криволинейных поверхностях.

Ключевые слова: датчики положения, круговые лазерные записывающие системы.

SENSOR OF AUTOFOCUS FOR CIRCLE LASER WRITING SYSTEM

Aleksander G. Verkhoglyad

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Head of Laboratory,

tel. (383)306-58-68, e-mail: verhog@tdisie.nsc.ru Marina A. Zavjalova

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Junior Researcher,

tel. (383)306-58-66, e-mail: mzav@tdisie.nsc.ru Viktor P. Korolkov

Institute of Automation and Electometry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1, Akad. Koptyug pr., Ph. D., Senior Researcher, tel. (383) 3333-091, е-mail: victork@iae.nsk.ru

The article presents the results of simulation software encoder for automatic focusing of laser radiation in a circle laser writing system and the results of its use for the manufacture of binary lenses on curved surfaces.

Key words: encoders, circle laser writing system.

Важной задачей при создании лазерных технологических комплексов является прецизионное позиционирование рабочих элементов -микрообъективов, сканирующих зондов и др. Для этого в состав комплексов вводятся датчики положения с обратной связью, позволяющие удерживать рабочие элементы на определенном расстоянии от поверхности обрабатываемых материалов [1]. Так, в составе круговой лазерной записывающей системы [2] для синтеза микрорельефа дифракционных оптических элементов на криволинейных поверхностях используется датчик автоматической фокусировки, который позволяет производить автоматический поиск поверхности, на которой производится запись изображения, её захват и последующее удержание в зоне наилучшей фокусировки микрообъектива. Целью данной работы является программное моделирование, расчет и оптимизация оптической схемы датчика автоматической фокусировки для работы по криволинейным поверхностям.

Рассмотрим принцип работы данного датчика на оптической схеме, изображенной на рисунке 1. Световой поток от полупроводникового лазера (X = 0,658 мкм, мощность 30 мВт) (1) расширяется объективом 2 (/ = 15 мм), проходит через светоделительный кубик (3) и фокусируется микрообъективом 4 (40х, /=4,3 мм) на поверхность стеклянной подложки. Отраженная от поверхности заготовки часть излучения лазера воспринимается микрообъективом 4, проходит через светоделительный кубик и фокусируется линзой 6 на чувствительную поверхность двухэлементного фотоприемника 7. Перед объективом 6 расположена непрозрачная диафрагма 5 - нож Фуко, который отсекает половину излучения. Тем самым нож Фуко вносит асимметрию (астигматизм) в схеме датчика. Если поверхность образца точно совпадает с фокальной плоскостью выходного объектива (позиция А), то отраженный световой поток направляется линзой 6 точно на границу раздела фотодиодов 7. В этом случае фототоки спаренных фотодиодов будут равны и на выходе фотоприемника 7 нулевой разностный сигнал, который определяется по формуле:

Т -Т

1Раз = ~Ь-2- • (1)

Далее возможны два варианта - в первом случае поверхность смещена на расстояние - Дг от фокуса (позиция А7), во втором случае - на расстояние +Д (позиция А7/). В зависимости от знака смещения отраженные лучи а7 и а7/ будут выходить под некоторым углом и фокусироваться либо на верхнюю К половину фотоприемника, либо на нижнюю - К2. На выходе датчика появится разностный сигнал, знак которого однозначно связан с направлением расфокусировки. Отраженный от поверхности в позиции А7 луч а7 после микрообъектива 4 будет расходящимся. Он пройдет элементы 3 и 6 и сфокусируется на верхнюю половину фотоприемника Кь Луч а7/, отраженный

от поверхности в позиции А будет сходящимся, он сфокусируется на нижнюю К2. В качестве меры измерения расстояния до объекта используется неравномерность распределения интенсивности отраженного света, попадающего на двухэлементный фотоприёмник.

Рис. 1. Оптическая схема датчика на принципе астигматических пучков

Расчет и моделирование данного датчика были проведены в программном пакете для расчета оптических систем 7етах. Модель двухэлементного фотоприемника была реализована путем специальной программной расшифровки дифракционного изображения (рис. 2). Обработка данных позволила построить аналитическую модель разностного сигнала 1раз (рис. 3).

0.8000 0.7000 0.6.000 0.5000 0.4000 0.3000

а) б)

Рис. 2. Дифракционные изображения пятна в плоскости двухэлементного фотоприемника при нулевой расфокусировке (а) и при расфокусировке - 6 мкм (б)

В результате моделирования были выявлены параметры для оптимизации рабочего диапазона L (рис. 2) такого датчика. Важным

параметром является положение ножа Фуко между объективом 6 и фокусирующим микрообъективом 4. При больших смещения поверхности в направлении от микрообъектива +Дг луч а после объектива 6 может сфокусироваться в плоскости ножа Фуко и далее - на верхнем квадранте К1. Это приведет к ошибочному определению направления смещения, поскольку в этом случае 11 будет больше /2. Поэтому для увеличения рабочего диапазона нож Фуко нужно располагать как можно ближе к микрообъективу, либо уменьшать расстояния между объективом 6 и микрообъективом 4. Например, расчеты показали, что при уменьшении этого расстояния со 180 мм (такое расстояние изначально было заложено при проектировании круговой лазерной записывающей системы) до 50 мм рабочий диапазон L увеличивается в 10 раз (с 20 мкм до 200 мкм).

Рис. 3. График зависимости сигнала на двухэлементном фотоприемнике от смещения поверхности

Расчеты показали, что большое влияние на результат измерения оказывает наклон поверхности, по которой производится запись. Были проанализированы графики зависимости разностного сигнала /раз при смещении поверхностей с разными углами наклона. В результаты выявлен критический угол наклона для сферы радиусом 338 мм и диаметром 100 мм, равный 8о, при котором происходит инверсия разностного графика. Это даёт ошибочный сигнал смещения поверхности, при котором датчик автофокусировки срабатывает неправильно и возможно столкновение рабочего микрообъектива и поверхности заготовки. Так же при наклоне поверхности уменьшается рабочий диапазон смещений L (при угле наклона 8о - более чем в два раза).

Датчик автоматической фокусировки вошел в состав коммерческой модели круговой лазерной записывающей системы, разработанной для Харбинского Технологического института (Китай) в 2011 году. В результате

тестирования данной системы были получены следующие основные характеристики: рабочее полее 250 мм, пространственное разрешение до 1000 линий / мм, разрешение по радиальной координате не хуже 1 нм, по угловой - не хуже 0,25 ", диапазон перемещения на вертикальных координат до 25 мм, ошибка датчика автофокусировки 0,05 мкм, максимальный угол наклона криволинейной поверхности 80. Эта система позволяет формировать дифракционные элементы, компьютерно-синтезированные голограммы, решетки, а также различные фотошаблоны произвольной топологии на плоских и аксиально-симметричных криволинейных поверхностях. В качестве примера использования такой системы была изготовлена бинарная линза, в результате тестирования которой установлено, что ошибка ее волнового фронта не превышает Х/100. На рис. 4 представлены пример интерферограммы бинарной линзы (размеры 1, 2, 3 зоны, соответственно, 0,5; 0,7; 0,8 мм), записанной на сферической поверхности (радиус кривизны -338 мм, диаметр - 100 мм).

Рис. 4. Интерферограммы бинарной линзы

Таким образом, в ходе данной работы получена аналитическая модель разностного сигнала на выходе двухэлементного фотоприемника путем расшифровки дифракционного изображения, полученного в результате расчетов в программе 7етах. Выявлены критичные параметры и проведена оптимизация оптической схемы датчика автоматической фокусировки. Показана возможность увеличения рабочего диапазона в 10 раз при уменьшении расстояния между фокусирующим микрообъективом и объективом, строящим изображение пятна в плоскости двухэлементного

фотоприемника. Разработан и экспериментально апробирован датчик для автоматической фокусировки рабочего лазерного излучения на криволинейных плоскостях. Проведено экспериментальное исследование возможностей такого датчика вкупе с датчиком перемещения и угловым датчиком, входящими в состав круговой лазерной записывающей системы. Изготовлены бинарные линзы на сферической заготовке с радиусом кривизны 338 мм, получена ошибка волнового фронта Х/100.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Джексон Р. Г. Новейшие датчики. - М.: Техносфера, 2008. - 397 с.

2. Poleshchuk A. G., Churin E. G., Koronkevich V. P., Korolkov V. P, Kharissov A. A., Cherkashin V. V., Kiryanov V. P., Kiryanov A. V., Kokarev S. A., and Verhoglyad A. G. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure // Applied Optics. - 1999. - Vol. 38. - N 8. - P. 1295-1301.

© А. Г. Верхогляд, М. А. Завьялова, В. П. Корольков, 2014