Метод регистрации дифракционной картины в широком угловом диапазоне для контроля периодов и угловой ориентации структур дифракционных оптических элементов

Белоусов Дмитрий Александрович; Полещук Александр Григорьевич; Хомутов Владимир Николаевич; Черкашин Вадим Владимирович

УДК 535.421

МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ ДИФРАКЦИОННОЙ КАРТИНЫ В ШИРОКОМ УГЛОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПЕРИОДОВ И УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ СТРУКТУР ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Дмитрий Александрович Белоусов

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)330-79-31, 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]

Владимир Николаевич Хомутов

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]

Вадим Владимирович Черкашин

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

Представлены результаты исследования полусферического рассеивающего экрана для регистрации и оперативного контроля пространственного распределения излучения, рассеянного на микрорельефе дифракционных оптических элементов, в диапазоне углов дифракции до ± 85° и по азимуту 360°. Показана возможность определения периодов и угловой ориентации структур дифракционных оптических элементов, по анализу дифракционной картины в широком угловом диапазоне.

Ключевые слова: дифракционная оптика, компьютерная оптика, дифракционно-оптические элементы, обработка изображений.

DIFFRACTION PATTERN REGISTRATION METHOD IN A WIDE RANGE OF ANGLES FOR MEASUREMENT OF PERIODS AND ANGULAR ORIENTATION OF STRUCTURES OF DIFFRACTION OPTICAL ELEMENTS

Dmitrij A. Belousov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, software engineer, tel. (383)330-79-31, 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]

Vladimir N. Khomutov

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]

Vadim V. Cherkashin

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

The results of investigation of the hemispherical diffusing screen for the registration and measurement of the space distribution laser radiation scattered on the diffractive optical elements microrelief at the angle of diffraction range up to ± 85° and 360° azimuth are shown. The possibility of the periods and angular orientation of structures determination of the diffractive optical elements on the diffraction pattern analysis in a wide range of angles is presented.

Key words: diffraction optics, computer optics, diffractive optical elements, image processing.

Дифракционные оптические элементы (ДОЭ), благодаря своим широким функциональным возможностям формирования волнового фронта с заданными параметрами и относительно малым габаритным размерам активно применяются в различных областях науки и техники, а так же во множестве приборов массового потребления. Преобразование волнового фронта осуществляется за счет дифракции падающего излучения на периодической структуре микрорельефа ДОЭ. В связи с этим методы контроля параметров ДОЭ можно условно разделить на прямые и косвенные. К прямым относятся методы основанные на непосредственном сканирование микрорельефа, такие как методы конфокальной и лазерной профилометрии, атомно-силовой микроскопии, микроскопии элегтронным пучком и т. д. [1]. В основе косвенных методов лежит анализ рассеянного на микрорельефе ДОЭ излучения. В частности, одним из таких методов является дифракционный метод контроля, основанный на анализе пространственного распределения дифрагированного излучения.

Падающее на ДОЭ излучение, пройдя или отразившись от его микрорельефа, раскладывается в пространстве, перпендикулярно угловой ориентации периодической структуры элемента, в угловой спектр на ряд дифракционных порядков. Углы дифракции ат в таком случае находятся из соотношения:

ат = arcsin(—), (1)

где т - номер дифракционного порядка, Я - длина волны падающего излучения, d - период микрорельефа. Таким образом, измерив угловое распределение дифракционных порядков и их расположение в пространстве можно определить период и угловую ориентацию исследуемой дифракционной структуры, в локальной области ДОЭ. Соответственно, сканирование элемента лазерным пучком, с последующим анализом пространственного распределения дифракционных порядков в каждой локальной области, позволяет построить карту периодов и угловой ориентации дифракционных структур ДОЭ по всей его площади.

Автоматические приборы данного типа можно условно разделить на сканирующие, т. е. использующие в измерительном модуле перемещающийся в пространстве светочувствительный элемент, и устройства, использующие для

регистрации дифрагированного на микрорельефе излучения статично закрепленную видеокамеру [2, 3].

Основным преимуществом устройств со статично закрепленной видеокамерой над устройствами сканирующего типа является высокая скорость измерения. Однако, для того чтобы обеспечить широкий диапазон контролируемых периодов и повышения точности осуществляемых измерений, необходимо регистрировать дифракционную картину в широком угловом диапазоне, вплоть до +/- 85°. Решить данную задачу позволяет использование рассеивающих экранов различной формы и конфигурации. В частности, в своих работах [4, 5] мы подробно исследовали устройства такого типа. Один из методов регистрации дифракционной картины в широком угловом диапазоне с использованием полусферического рассеивающего экрана был описан нами в работе [5]. Настоящая работа посвящена практическому исследованию данного метода.

В работе [5] было показано, что при использовании рассеивающего экрана имеющего форму полусферы, для того чтобы иметь возможность регистрировать дифракционную картину в углах дифракции + 85° и по азимуту 360°, не достаточно лишь одной видеокамеры. В связи с этим, была предложена следующая схема устройства, для измерения пространственного распределения дифракционных порядков для ДОЭ работающего на пропускание падающего излучения (рис. 1).

9

Рис. 1. Схема регистрации дифрагированного излучения

с помощь полусферического рассеивающего экрана:

1 - источник излучения; 2 -фокусирующая линза; 3 - поворотное зеркало; 4 - исследуемый ДОЭ; 5 - Х-У-координатная система; 6 - полусферический рассеивающий экран; 7 - объектив; 8 - видеокамера; 9 - контролер лазерного модуля; 10 - контролер Х-У-координатной системы; 11 - управляющий компьютер

Излучение, генерируемое лазерным источником 1, с помощью фокусирующей линзы 2 и поворотного зеркала 3, фокусируется на исследуемом ДОЭ 4, который, в свою очередь, установлен на Х-У-координатной системе 5. Прошедшее через периодическую структуру элемента излучение раскладывается на ряд дифракционных порядков, которые попадают на поверхность рассеивающего экрана выполненного в виде полусферы 6, вокруг которого располагается четыре видеокамеры 8, с проекционными объективами 7. Видеокамеры расположены таким образом, что каждая из них контролирует отдельный сектор рассеивающего экрана, который составляет 90° по азимутальному углу и 85° по углу дифракции. Изображения, зарегистрированные всеми четырьмя видеокамерами, передаются на управляющий компьютер 11, где осуществляется их дальнейшая обработка. Для того, чтобы иметь возможность регистрировать все дифракционные порядки, бывает необходимо производить несколько захватов изображений в каждой локальной области исследуемого ДОЭ, управляя при этом либо интенсивностью источника излучения, с помощью контролера лазерного модуля 9, либо регулируя время экспозиции видеокамер, что позволяет повысить динамический диапазон системы [3]. Только после того, как были зарегистрированы все дифракционные порядки, с помощью контролера Х-У-координатной системы 10, исследуемый ДОЭ перемещается в следующую локальную область измерения.

На описанном стенде, было проведено сканирование области исследуемого ДОЭ размером 2670 х 300 мкм, в которой располагалось 9 дифракционных структур с периодами от 0,5 до 4 мкм (рис. 2, а).

Рис. 2. Результаты сканирования: карта сканированной области с зарегистрированными дифракционными структурами (а), периоды (б) и угловая ориентация (в) структур по центральной линии сканированной области

В качестве источника излучения использовался лазер с длиной волны 448 нм. Сканирование осуществлялось с шагом 10 мкм. На рис. 2, б и в представлены значения измеренных периодов дифракционных структур и их угловая ориентация, в центральной области исследуемого элемента (зеленая линия на рис. 2, а).

В рамках данной работы было проведено экспериментальное исследование метода с использованием рассеивающего полусферического экрана, для регистрации дифракционной картины, в угловом диапазоне дифрагированного излучения + 85° и по азимуту 360°. Экспериментально показано, что предложенный метод позволяет производить оперативное измерение параметров микрорельефа ДОЭ, таких как период и угловая ориентация дифракционных структур, для широкого диапазона изменения периодов исследуемого элемента.

Данная работа поддержана проектом РФФИ ОФИ-М №14-29-07227 и частично проектом Комплексной программы фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН № П.2П/П.10-б.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Continuous-relief diffractive optical elements for two-dimensional array generation / M. T. Gale, M. Rossi, H. Schütz, P. Ehberts, H. P. Herzig, D. Pronque // Appl. Opt. - 1993. -№ 32. - P. 2526-2533.

2. Diffractive optics calibrator: measurement of etching variations for binary computergenerated holograms / Wenrui Cai, Ping Zhou, Chunyu Zhao, James H. Burge // Appl. Opt. - 2014. - № 53. - P. 2477-2486.

3. Хомутов В. Н., Полещук А. Г., Черкашин В. В. Измерение дифракционной эффективности ДОЭ по многим порядкам дифракции // Компьютерная оптика. - 2011. - Т. 35. -С.196-201.

4. Белоусов Д. А., Полещук А. Г., Хомутов В. Н. Контроль параметров микрорельефа синтезированных голограмм методом анализа дифракционной картины // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2016» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 2. -С. 32-36.

5. Белоусов Д. А., Полещук А. Г., Хомутов В. Н. Контроль пространственного распределения оптического излучения, рассеянного дифракционной структурой // Компьютерная оптика. - 2015. - Т. 39, № 5. - С. 678-687.