Контроль формы нетипичных оптических поверхностей с помощью ДОЭ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

КОНТРОЛЬ ФОРМЫ НЕТИПИЧНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ ДОЭ

Александр Григорьевич Полещук

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, доктор технических наук, заведующий лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su

Руслан Камильевич Насыров

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, Проспект акад. Коптюга, 1, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории дифракционной оптики, тел. (383)3333-091, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com

Рассмотрены вопросы применение дифракционных оптических элементов для прецизионного контроля формы нетипичных оптических поверхностей. Приведены результаты разработки методов расчета и изготовления ДОЭ, а также контроля неосесимметричных поверхностей.

Ключевые слова: Дифракционная оптика, синтезированные голограммы, контроль асферики, цилиндрическая оптика, нетипичные оптические поверхности, интерферометры.

TEST OF A FREE FORM SURFACES BY MEANS OF DOE

Alexander G. Poleshchuk

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, head of laboratory of diffractive optics, phone +7(383)3333-091, e-mail: poleshchuk@iae.nsk.su

Ruslan K. Nasirov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, researcher of laboratory of diffractive optics, phone +7(383)3333-091, e-mail: nasyrov.ruslan@gmail.com

Application of diffraction optical elements for precision testing of the freeform optical surfaces are considered. Results of development of the methods of design, manufacture of DOE, and also testing of non-axis-symmetrical surfaces are presented.

Key words: diffraction optics, computer generated holograms, aspherical optics test, cylindrical optics, free form optical surfaces, interferometers.

Введение. В настоящее время достигнут существенный прогресс в области изготовления и контроля оптических поверхностей с нанометрической точностью. Обычный интерферометр обеспечивает контроль плоских или сферических поверхностей. Для контроля поверхностей сложной формы, например, асферических, цилиндрических, конических, торических, а в общем случае произвольной формы (Freefrom surfaces), необходимо использовать корректоры волнового фронта [1]. В качестве таких корректоров наиболее часто используют дифракционные оптические элементы (ДОЭ). Однако расчет,

изготовление и применение ДОЭ для контроля нетипичных поверхностей имеет ряд особенностей.

В настоящей работе представлены результаты разработки оптических схем, методов расчета и применения ДОЭ для контроля формы цилиндрических, конических и произвольных оптических поверхностей.

Контроль цилиндрических поверхностей. Основная проблема при разработке интерферометрических схем контроля цилиндрических поверхностей - это фильтрация автоколлимационных бликов. Для того, чтобы их исключить, вводят небольшой излом оптической оси непосредственно перед ДОЭ в пределах ф=0.5-1 градуса [2]. В этом случае блики от контролируемой поверхности не попадают в интерферометр. Для компенсации наклона в фазовую функцию ДОЭ добавляют эквивалент клина, который представляет собой дифракционную решетку с постоянным шагом. Для того чтобы обеспечить заданный наклон ДОЭ, дополнительно на той же подложке записывается вспомогательная решетка с периодом Т=Х/2зт(ф). При этом свет в первом порядке дифракции возвращался строго назад в интерферометр, когда ДОЭ наклонена на нужный угол. Соответственно, по этой вспомогательной интерферограмме можно выставить угол наклона ДОЭ с точностью до нескольких угловых секунд.

Для контроля цилиндрических поверхностей с большой числовой апертурой, мы предлагаем использовать интерферометр Физо с эталонным объективом (ЭО). В этом случае ДОЭ устанавливается строго перпендикулярно оптической оси в сходящемся пучке света, как показано на рис. 1а. Для юстировки ДОЭ относительно интерферометра используется вспомогательный отражательный дифракционный элемент в виде дифракционного аналога сферы. Преимущество такой схемы заключается в том, что период дифракционной структуры ДОЭ (рис.1б) в два раза больше, чем в известных схемах и все оптические компоненты располагаются вдоль оптической оси.

а б

Рис. 1. Оптическая схема (а) контроля цилиндрической поверхности и вид

фазовой функции ДОЭ (б)

Контроль поверхностей свободной формы. Сложные оптические поверхности не имеют осевой симметрии и могут задаваться в виде двумерной карты. Но, как правило, оптические поверхности являются гладкими и могут

быть описаны полиномами. Характерное описание для такой поверхности - это внеосевой участок тороидальной поверхности:

, , СхХ2 + СуУ2

2(Х’ У) = -1 9 9 9 9 +

1 + Л/1 - (1 + Кх)(Сх2X2) - (1 + Ку)(Су У2)

+ ЛЯ [(1 - ЛР)X2 + (1 + АР)У2 ]2 + ВЯ [(1 - ВР)X2 + (1 + ВР)У2 ] +

+ СЯ[(1 - СР) X2 + (1 + СР)У2 ]4 + Бя[(1 - БР) X2 + (1 + БР)У2 ]5

где Сх, Су - кривизна, а Кх, Ку - конические константы, соответственно вдоль координат Х и У AR, ВЯ, СЯ, DR - осесимметричные, а АР, ВР, СР, DP -неосесимметричные коэффициенты полинома.

Имеются две основные особенности при разработке оптических систем контроля таких поверхностей.

1. Расчет функции пропускания ДОЭ требует существенных объемов вычислений. Это связано с тем, что дифракционная структура является внеосевой, поэтому необходим расчет всей поверхности с плотностью

л

4000х4000 отсчетов фазы на мм и более. Объем данных достигает десятков и сотен Гб для ДОЭ диаметром более 100 мм.

2. Для обеспечения погрешности контроля менее 1/10 длины волны, оптическая измерительная система (рис. 2а), включающая интерферометр, ЭО, ДОЭ и поверхность должны быть установлены в пространстве в расчетные положения вдоль осей х, у, z с погрешностью менее 1 мкм и углов ах, ау, а2 с погрешностью порядка 1 угл. сек. Такую точность практически невозможно обеспечить без дополнительных юстировочных ДОЭ (рис. 2б).

В настоящей работе, для точной установки ДОЭ относительно контролируемой поверхности использовались дополнительные юстировочные ДОЭ (рис. 2б), которые фокусировали свет в заданные точки пространства. На контролируемой поверхности изготавливались сферические микрозеркала (МЗ). Оптическая схема рассчитывалась таким образом, чтобы световой поток сфокусированный дополнительными ДОЭ отражался от микрозеркал строго назад в интерферометр. Таким образом, по нескольким интерферограммам можно однозначно выставить контролируемую поверхность относительно ДОЭ.

Эксперимент. Для экспериментального исследования предложенных оптических схем были изготовлены ДОЭ с амплитудным и фазовым пропусканием. Запись дифракционных структур в пленках хрома нанесенных на кварцевые подложки производилась на установке CLWS-300IAE [3]. Фазовый рельеф получался методом реактивного-ионного травления на установке Р^таІаЬ 80+. Контроль формы поверхностей проводился с помощью интерферометра ШеШит 7100 с эталонными объективами #2.2 и £/3.3. На рис. 3 в качестве примера приведены интерферограмма (а) и карта (б) поверхности, полученные с помощью цилиндрического ДОЭ. Видно, что интерферограмма в центре (квадратной формы) обеспечивает контроль исследуемой поверхности, а интерферограмма на периферии обеспечивает установку ДОЭ в расчетное положение.

Заключение. Разработаны интерферометрические схемы контроля цилиндрических, конических и произвольных оптических поверхностей. Разработаны методы расчета и изготовления ДОЭ. Показано, что при помощи вспомогательных юстировочных ДОЭ можно контролировать положение ДОЭ в пространстве с точностью нескольких угловых секунд.

Данная работа выполнена при поддержке междисциплинарного интеграционного проекта № 112 СО РАН, программы фундаментальных исследований Президиума РАН, проект 24-8 и проектов РФФИ 12-02-00974-а и 12-02-01118-а.

Рис. 2. Оптическая схема (а) контроля поверхности свободной формы и вид

изготовленного ДОЭ (б)

а б

Рис. 3. Интерферограмма (а) и карта (б) поверхности, полученные с помощью цилиндрического ДОЭ. Погрешность волнового фронта 0.8^ (PV) и 0.18^ (rms)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Chang Y.-C., Zhou P., and Burge J.H. Analysis of phase sensitivity for binary computergenerated holograms// Appl. Opt.-2006.- V.45.-P. 4223-4234.

2. http://www.diffraction.com/cylinder.php.

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

© A.r. noxe^yK, P.K. Hacupoe, 2012