CC BY
70
ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ УГЛОВЫХ ШКАЛ
Владимир Николаевич Хомутов
Институт автоматики и электрометрии сибирского отделения российской академии наук (ИАиЭ СО РАН), 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, д. 1, Лаборатория дифракционной оптики, аспирант, инженер-программист, тел. +7-923-243-27-45, e-mail: [email protected]
В работе предложен и изучен метод контроля погрешности оптических угловых шкал, изготовленных методом кругового растрового сканирования (КРС). Метод основан на использование интерферометра Физо. Приведено описание метода КРС и основные виды погрешностей характерных для подобных систем. Также приведены полученные экспериментальные результаты.
Ключевые слова: угловая шкала, интерферометрия, дифракционная решётка. INTERFEROMETRIC TECHNIQUE OF ANGULAR SCALE CHARACTERIZATION Vladimir N. Khomutov
Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (IA&E, SB RAS), 630090, Russia, ., Novosibirsk, 1 Academician Koptug ave, software engineer and post-graduate student, laboratory of diffraction optics, tel: +7-923-243-27-45,
e-mail: [email protected]
The paper describes technique of error characterization of optical angular scales fabricated by technique of circular raster scanning. This technique is based on Fuzeau interferometer application. The principles of operation the machines based on technique of circular raster scanning and general types of writing errors are reported. Results of experiments are present.
Key words: angular scale, interferometry, diffraction grating.
Введение. К оптическим угловым шкалам (ОУШ) следует относить любые угловые структуры нанесённые на оптические подложки (оптические лимбы, угловые шкалы, растры, многоразрядные кодовые диски). ОУШ находят широкое применение в современной прецизионной оптической технике. Существует большое количество принципиально различных методов изготовления ОУШ [1]. Одним из наиболее перспективных методов изготовления прецизионных ОУШ (угловая погрешность (PV) менее 5a=0.5-1 угл. сек., радиальная - менее 5r=0.1 мкм при размере изделия до 0300 мм) является метод кругового растрового сканирования (КРС) в полярной системе координат, реализуемый с помощью лазерных записывающих систем (ЛЗС) типа CLWS-300 [2]. Качественным преимуществом ЛЗС является возможность записывать элементы обладающей произвольной топологией, что делает их пригодными не только для записи угловых шкал, но и любых дифракционных элементов с произвольной топологией.
При производстве ОУШ очень важной задачей является производственный контроль изготовленных образцов. Контроль подразумевает оценку погрешности нанесения угловой структуры на оптическую подложку относительно рас-
ф=ф1
чётных данных. Традиционно для решения этой задачи применяются лазерные гониометры и специальные углоизмерительные установки такие как АС-700 (ФГУП ПО УОМЗ) [1], они позволяют оценить погрешность порядка 0.5-1 угл. сек. Контроль прецизионных образцов с погрешностью порядка 0.1 угл. сек. производится в специально оборудованных метрологических центрах. Данное оборудование является дорогостоящим и не всегда может быть доступно, что неприемлемо в случае необходимости оперативного производственного контроля.
В настоящей работе предложен метод контроля погрешности ОУШ, изготовленных методом КРС, с помощью лазерного интерферометра Физо.
Метод кругового растрового сканирования. При записи в полярных координатах методом КРС, подложка, покрытая светочувствительным слоем, вращается с постоянной угловой скоростью (10-15 с-1), в то время как сфокусированное (~0.5 мкм) записывающее
Вращение Записывающий
пятно лазера перемещается вдоль пучок
„ „ Начало, ф=0 ' --- г-'-м -
прямой линии, пересекающей центр
вращения (рис. 1). КРС оптимально УС
для записи осесимметричных дифракционных оптических элементов (ДОЕ), но также этот метод удобно применять и для синтеза ДОЕ с произвольной топологией.
В пр°цессе изготовлении ДОЕ ^--------^"Прямоугольник
или ОУШ методом КРС возможны
следующие виды систематических по- Рис. 1. Запись микроструктуры в погрешностей: погрешность совмещения лярной системе координат
записывающего лазерного пучка с
центром вращения оптической подложки, погрешность траектории вращения шпинделя, погрешность определения текущего значения угла поворота шпинделя и т.д. [3]. На данный момент разработаны методы, позволяющие устранить влияние этих погрешностей на результат записи.
Также наряду с этими погрешностями для КРС характерна погрешность дискретизации (рис. 2.), эта погрешность проявляется в виде неровностей на краях при записи линейных структур и менее всего заметна для круговых и радиальных элементов. Причина возникновения этой погрешности - ошибка, возникающая при преобразовании прямоугольных координат в полярные. Ошибка дискретизации исчезает в тех областях, где записывающий пучок проходит перпендикулярно записываемой линейной структуре рис. 2. а, и имеет максимальные значения в тех областях, в которых лазерный пучок проходит параллельно записываемой линейной структуре рис. 2.б. Максимальная погрешность записи равна шагу дискретизации в радиальном и угловом направлениях. В радиальном направлении эта погрешность равна шагу записи S. В угловом направлении величина дискретизация определяется количеством позиций угловой адресной сетки ЛЗУ ^=2-4-106) [2] и зависит от радиуса записи.
Интерферометрический метод контроля погрешности. Интерферометр Физо с фазовым сдвигом позволяет контролировать форму плоского или сферического волновых фронтов с погрешностью порядка Х/1000 [4]. Особенностью ЛЗС является возможность записи методом КРС как угловых структур
6 мкм
71
6 мкм
а
б
Ри усОшибка
на примере ДР
Подложка
Рис. 3. ОУШ комбинированная с ДР
ютизации метода кругового растрового сканирования Закционной решётки, а - фрагмент решётки около ^агмент решётки около центра ф = 90°
(УС), так и любых произвольных дифракционных структур. В этом случае, на подложке одновременно с УС может быть записана линейная дифракционная решетка (ДР), как схематически показано на рис. 3. Если запись обеих структур осуществляется в один технологический цикл, то и погрешности записи будут одинаковые. При установке подложки с ДР по автоколлимационной схеме (рис. 4) под углом Литтрова интерференционная картина искажается, если угловая координата ЛЗС имеет погрешность. Это оказывает влияние на результирующую карту разности фаз P(x, у). Из зарегистрированной карты разности фаз Р(х,у), погрешность изготовления ОУШ определяется по формуле 8=Р,(х,у)Т/тХ, где Р(х,у) - карта разности фаз между поверхностью плоской эталонной пластины и оптической контрольной зоной оптической угловой шкалы, выраженная в длинах волн, x, у - координаты в оптической контрольной зоне, Т - период штрихов решетки, т - рабочий дифракционный порядок, X - длина волны.
Рис. 4. Схема интерферометрического метода контроля
Оценим потенциальную точность интерферометрического метода. Угловая погрешность изготовления оптической шкалы связана с линейной погрешностью соотношением: 8~е/г, при т = 5, г = 50 мм, Т = 2 мкм, X = 0.6328 мкм,
у
Р1(г,ф) = 0.01 А,, измеренная угловая погрешность составляет 8=1.2-10' рад или примерно 0.03 угловых секунды.
Линейная ДР записанная методом КРС имеет зоны с большими значениями ошибки дискретизации. Эти зоны располагаются в областях, в которых записывающий пучок проходил параллельно штрихам решётки. Линейная решётка позволит анализировать искажения волнового фронта только по одной координате, перпендикулярной направлению штрихов дифракционной решётки. Для обеспечения возможность анализа по двум координатам мы предлагаем использовать сложную ДР состоящую из двух линейных решёток повёрнутых под углом 90 градусов друг относительно друга. При интерферометрическом контроле необходимо путем поворота подложки выделить соответствующий дифракционный порядок, провести измерение и сшить полученные результаты.
Предлагаемая система позволяет контролировать погрешность изготовления угловых структур оптических угловых шкал с помощью обычных серийных интерферометров, не прибегая к использованию уникальных прецизионных углоизмерительных машин и гониометров. Это позволяет проводить контроль угловых структур оптических угловых шкал непосредственно после их изготовления и при обнаружении больших погрешностей, оперативно вносить коррекцию в процесс изготовления.
Экспериментальные результаты. Линейная ДР с периодом Т= 4 мкм и диаметром 50 мм была изготовлена на ситаловой подложке диаметром 60 мм с плоскостностью 0.08Х (РУ) и 0.013Х гшб методом прямой лазерной записи по пленке хрома [2]. Шаг записи в радиальном направлении 0.5 мкм. Количество позиций угловой адресной сетки - 2.8406. Контроль дифрагированного волнового фронта проводился с помощью интерферометра Физо БТ1-100 с эталонной пластиной (СУ1, Х/10) по схеме приведенной на рис. 2б. На рис. 5 приведены предварительные результаты экспериментального исследования погрешности изготовления ДР: интерферограмма и карта волнового фонта, а также круговое сечение карты фронта на радиусе записи Я = 15 мм.
а
б
в
Рис. 5. Интерферограмма (а), карта (б) дифрагированного на ДР волнового фронта и профиль (в) кругового сечения выделенный штриховой линией
на карте (б)
Видно, что искажения вдоль сечения не превышают AWpv=0.04A (PV) и AWms=0.008X (rms). Из этих данных можно сделать вывод, что погрешности записи данной ДР (куда входят как погрешности подложки и дискретизации, так и погрешности угловой координаты), определяемые по формуле e=TAWrms//.-R, составила около 1 угл. сек. (rms). Для более точного измерения искажений необходимо будет исключить влияние подложки и эталонной пластины, комбинируя интерферограммы ±1 и 0-го порядков дифракции.
Заключение. Предложен интерферометрический метод контроля точности угловой координаты установок лазерной записи типа CLWS-300 основанный на записи линейной ДР с последующим анализом дифрагированного на ней волнового фронта.
Компьютерная модель [5] процесса записи линейной ДР методом КРС показала, что в области где записывающий пучок приходит к записываемой структуре под углом близким к нулю, ошибка дискретизации достигает шага записи S, в то время как под углом 90о, ошибка дискретизации практически отсутствует. В этой связи предложено использовать для анализа искажений скрещенную ДР.
Предварительные экспериментальные результаты, полученные при записи ДР с периодом 4 мкм показали, что погрешность угловой координаты ЛЗУ типа CLWS300IAE не хуже 1 угл. сек. (rms).
Подложенный метод контроля угловой точности ЛЗУ позволит проводить оперативный контроль точности изготовления УС без применения метрологических углоизмерительных установок. Развитие этого метода позволит проводить калибровку ЛЗС в лабораторных условиях.
Данная работа выполнена при поддержке междисциплинарного интеграционного проекта № 112 СО РАН и проекта РФФИ 12-02-01118-а.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кирьянов, В.П. Анализ современных технологий синтеза углоизмерительных структур для высокоточных угловых измерений (Аналитический обзор) / Оптический журнал, 2007. - Т. 74. - № 12. -С. 40-49.
2. Poleshchuk A.G., Churin E.G., Koronkevich V.P., Korolkov V.P., Kyrianov V.P. and etc. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure/Apl. Opt. 1999. V. 38, p. 1295-1301.
3. Полещук А.Г., Коронкевич В.П., Корольков В.П., Харисов А.А., Черкашин В.В. Синтез дифракционных оптических элементов в полярной системе координат: погрешности изготовления и их измерение/ Автометрия, 1997. - № 6. -С. 43-56.
4. Полещук А.Г., Насыров Р.К., Маточкин А., Черкашин В.В., Хомутов В.Н. Лазерная интерферометрическая система для производственного контроля оптических изделий/ Сбор-
ник трудов X Международной конференции «Прикладная оптика-2012», Санкт-Петербург, 15-19 октября 2012-Т. 2. - С. 137-141.
5. Хомутов В.Н., Полещук А.Г., Насыров Р.К. Интерферометрический метод контроля изготовления угловых шкал/ Сборник трудов X Международной конференции «Прикладная оптика-2012», Санкт-Петербург, 15-19 октября 2012. - Т. 2. - С. 26-30.
© В.Н. Хомутов, 2013
