Метод контроля погрешностей изготовления дифракционных оптических элементов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.7.08

МЕТОД КОНТРОЛЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Руслан Владимирович Шиманский

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Александр Григорьевич Полещук

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Разработан и исследован метод контроля погрешности изготовления дифракционных структур с использованием координатных меток по двум ортогональным направлениям при изготовлении дифракционных оптических элементов в полярной системе координат.

Ключевые слова: лазерная записывающая система, погрешность изготовления, дифракционный оптический элемент.

METHODS FOR DETERMINATION OF A MANUFACTURING ERROR OF DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS

Ruslan V. Shimansky

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, junior research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Alexander G. Poleshchuk

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., Head of Laboratory of the Diffraction Optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Method for registration of the fabrication errors of diffraction structures using coordinate marks placed along two orthogonal directions at the production of diffractive optical elements using polar coordinate system was developed and investigated.

Key words: Laser recording system, manufacturing error, diffractive optical element.

Дифракционные элементы нашли широкое практическое применение в ин-терферометрических системах для измерения формы поверхности асферической оптики. В ИАиЭ СО РАН разработана прецизионная круговая лазерная система записи (КЗЛС), предназначенная для изготовления ДОЭ в полярной системе координат [1]. Погрешность изготовления структуры ДОЭ сказывается на точности и достоверности результатов измерения. То есть, ошибки и неточности, возникающие в процессе изготовления структуры ДОЭ, приводят к появлению погрешностей волнового фронта, формируемого ДОЭ. Эти погрешности могут быть определены (в долях длины волны света) как [2]:

Ж = шк , Т

где т - порядок дифракции; Т - период дифракционной структуры в данной области ДОЭ; ¿V - погрешность координаты записи (область с координатами гр) в направлении перпендикулярном зонам ДОЭ.

Для проверки точности изготовления ДОЭ используются различные методы контроля. Время записи ДОЭ больших размеров доходит до нескольких десятков часов. В течении этого времени абсолютная точность позиционирования записывающего пучка по всему полю ДОЭ должна составлять несколько нанометров. Для выявления случайных ошибок, возникающих в процессе записи, таких как дрейф радиальной координаты записи, сдвиг подложки, сбои системы управления и др., ранее нами был предложен метод сертификации процесса записи [3, 4], основанный на записи линейки состоящей из специальных маркеров. Однако известный метод имел ограниченную точность и не позволял контролировать процесс записи по двум координатам.

В настоящей работе представлены результаты разработки и исследования нового метода [5] контроля погрешности изготовления дифракционной структуры ДОЭ по положению координатных меток, как в радиальном, так и в угловом направлениях при изготовлении ДОЭ в полярной системе координат.

Погрешности изготовления прецизионных ДОЭ

Изготовление структуры ДОЭ производится методом прямой лазерной записи на вращающуюся оптическую заготовку, покрытую пленой хрома. Структура ДОЭ представляет собой набор элементарных ячеек с адресацией в полярной системе координат. Ячейки, перекрываясь, образуют картину полос или дифракционных зон. Адрес записи произвольной ячейки г в полярной системе координат определяется как Р(ги р), где г и р - радиальная и угловая координаты записи (р определяется как разность между началом угловой координаты (р = 0) и текущим угловым положением вращающейся оптической заготовки). Величина г отсчитывается от точки начала полярной системы координат г0 = 0, которой считается точка совмещения оси вращения оптической заготовки с центром записывающего сфокусированного пучка лазерного излучения.

Процесс записи вносит погрешности в структуру ДОЭ. Основная погрешность - это расстояние между расчетной Рг и записанной Р/ координатами точек. Величина абсолютной погрешности координаты записи определяется как Е = Рг - Р/. Контроль погрешности записи ДОЭ является одной из важнейших частей процесса изготовления.

Метод контроля погрешности изготовления структуры дифракционных оптических элементов

Для обеспечения контроля погрешности изготовления ДОЭ нами предложено формировать специальные координатные метки в виде решеток [5]. Данные метки записываются на оптической заготовке с заданными интерва-

лами по радиусу и после завершения записи производятся измерения их характеристик.

На рис. 1 приведен пример расположения координатных меток на оптической заготовке. Каждая координатная метка состоит из двух групп периодических решеток. Первая группа периодических решеток записывается до начала изготовления дифракционной структуры, а последующая группа одновременно с изготовлением ДОЭ. Дополнительно на оптической заготовке формируют контрольные окна без дифракционной структуры для записи в них координатных меток. Для того чтобы регистрировать погрешность изготовления ДОЭ одновременно, как по координате Х, так и по координате Y, координатные метки наносятся попарно, а направления штрихов периодических решеток в них ортогональны.

На рис. 2 схематично изображена одна пара координатных меток. Размер первой группы периодических решеток выбирается так, чтобы время нанесения было небольшим и за это время уход координаты записывающего лазерного пучка заведомо отсутствовал, или был мал. Например, если размер координатной метки составляет И = 30 х 60 мкм, то при скорости вращения оптической заготовки п = 20 об/сек, и шаге перемещения записывающего лазерного пучка я = 0.5 мкм, время нанесения координатной метки составит около ^ = 3 сек., а всей линейки, состоящей, например, из 10 координатных меток, составит около t2 = 30 сек. При характерной величине температурного дрейфа устройства лазерной записи около 1 мкм за 2,5 часа работы, величина дрейфа за время t2 нанесения линейки будет менее 3 нм, что много меньше шага перемещения я. Т.е. можно считать, что все первые группы периодических решеток в координатных метках нанесены без погрешностей. В качестве эксперимента нами была произведена запись ДОЭ с использованием координатных меток.

Рис. 1. Схема расположения координатных меток:

1 - оптическая заготовка, 2 - ось вращения оптической заготовки, 3 - контрольное окно, 4 - дифракционная структура, 5 - координатная метка

Рис. 2. Координатная метка с двумя группами периодических решеток:

1 - первая группа периодических решеток, 2 - последующая группа периодических решеток

2

ф

На рис. 3 представлена фотография пары координатных меток на радиусе 24 мм с периодом решеток 2 мкм, на которой видно взаимное смещение групп записанных решеток. После окончания процесса записи ДОЭ измеряют характеристику контрольных меток в виде взаимного смещения первой группы периодических решеток относительно последующих групп периодических решеток.

Определение величины погрешности изготовления ДОЭ. Погрешность изготовления ДОЭ по двум направлениям (Жх и Жу) определяют по формуле (2) в каждой координатной метке по взаимному смещению первой группы периодических решеток относительно последующих групп периодических решеток:

= шк ^ и ЖУ = шк ^ . (2)

Х гр у ГГ1 v /

Тх ТУ

Для точного измерения смещения штрихов решеток нами было предложено применить метод обработки интерферограмм. Группы периодических решеток в координатных метках представляются как интерферограммы, где изображения штрихов могут быть представлены как интерференционные полосы. Смещение 8х и двух групп периодических решеток в каждой паре координатных меток определяют по их сглаженным изображениям методом расшифровки интерферограмм [6].

На рис. 4 приведен пример обработки, и трассировки линий решетки исходного изображения одной контрольной метки, на основе которых рассчитывается полутоновая карта. На рис. 5 приведен пример полутоновой карты координатной метки полученной методом расшифровки интерферограмм и график усредненного сечения полутоновой карты. Величина смещения определяется по графику как 8 = 0,4 Т. В данном примере, при Т = 3 мкм, смещение, обусловленное погрешностью изготовления ДОЭ составляет 8 = 1,2 мкм. Для уменьшения погрешности измерения и устранения случайных шумов проводится усреднение полутоновой карты по нескольким сечениям.

Рис. 3. Фотография пары координатных меток на радиусе 24 мм тестового ДОЭ

а) б) в)

Рис. 4. Пример обработки координатной метки: исходная фотография (а), сглаженное (б) и трассированное изображение (в)

Рис. 5. Полутоновая карты метки (а) и график сечения (а)

Рис. 6. Пример зависимости погрешности изготовления ДОЭ

Вычисление смещения производится для всех записанных координатных меток и затем строится зависимость погрешности изготовления от радиуса записи. На рис. 6 приведен пример зависимости погрешности изготовления осе-симметричного ДОЭ диаметром 100 мм от величины перемещения вдоль оси координат Х изготавливаемого ДОЭ. Координатные метки наносились с интервалом 2,5 мм. Их координаты вдоль оси Х отмечены на рис. 6 кружками.

Разработанный метод обеспечивает 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.

Данная работа поддержана грантом РФФИ ОФИ-М№ 14-29-07227.

50

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure / A. G. Poleshchuk, E. G. Churin, V. P. Koronkevich, V.P. Korolkov, etc. // Appl. Opt., 38, pp.1295-1301 (1999).

2. Chang Yu-C., Burge J. Error analysis for CGH optical testing // Proc. SPIE 3782, 358-366 (1999).

3. Methods for certification of CGH fabrication / A. G. Poleshchuk, V. P. Korolkov, V. V. Cherkashin, J. Burge // Trends in Optics and Photonics (TOPS). 2002. Vol. 75 (OSA Topical Meeting "DOMO-02", June 3-6, 2002, Tucson, USA).

4. Методы минимизации ошибок прямой лазерной записи дифракционных оптических элементов / А. Г. Полещук, В. П. Корольков, В. В. Черкашин, С. Райхельт, Дж. Бёдж // Автометрия. - 2002. - № 3. - С. 3-19.

5. Патент РФ 2587528. Способ контроля погрешности изготовления дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Авторы А. Г. Полещук, Р. В. Шиманский. Опубл. 20.06.2016. Бюл. № 17.

6. Расчетный модуль для анализа волновых фронтов / В. Г. Максимов, С. А. Чудинов, Р. К. Насыров, А. Е. Маточкин // Изв. вузов. Физика. - 2013. - Т. 56, № 9/2. - С. 212-214.

© Р. В. Шиманский, А. Г. Полещук, 2017