Введение к работе
!. і..! ::ді
тдел іссертаций
Актуальность теш;. Основу элементной базы традиционной
оптшш составляют приемы, линзы, зеркала, дифракционные решетки и их комбинации. Технология их изготовления достигла предельных возможностей и дальнейшее улучшение оптического качества требует непропорционально больших затрат. Вместе с теп потребности современного оптического приборостроения, связанные с использованием лазеров в системах записи,хранения,обработки и отображения информации не могут быть удовлетворены чисто классическими элементами. С появлением лазерных проигрывателей, принтеров, кассовых аппаратов, фотоплоттеров и фотоэлектронных камер требования к оптическим элементам существенно изменились. Необходимы лёгкие, состояние из немногих компонентов, не нуцдапциеся в юстировка и дешевые элемента, прачем их оптические качества должка соответствовать значениям, достигнутым в классической оптике.'Современные оптические элементы должны осуществлять волновые и геометрические преобразования изображений, вводить перекрёстные связи и менять форму каустики в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оптическому устройству. Решение подобных задач сдергивается ограниченными функциональными возиоаностяма традиционных элементов и технологией их изготовления.
Например, при создании мезооптического Фурье-микроскопа для контроля ядерной фотоэмульсии необходимо фокусировать излучение в кольцо. Для фокусировки такого типа применяет зеркало со специальной формой поверхности, однако,изготовление да-se единичных образцов является трудно разрешимой проблемой. Другими близкими примерами являются оптические системы с увеличенной глубиной фокальной области. При конструировании таких систем необходимы элементы следующих двух типов: во-первых, элементы, изобрайащие осевув точку в виде отрезка прямой, расположенного вдоль оптической оси, и не осуществлящпе проективных преобразованна. Такой тип фокусировки реализуется обычно с помощью дорогостоящих аксиконов, называется аксикок-ннм и используется для получения оптического разряда в газе
для создавая опорной световой линии в метрологии, для dec-контактных измерений перемещений отражающей поверхности, в оптических дисковых системах звукозаписи и воспроизведения. Во-вторых, элементы, удлиняющие каустику без изменения проективных свойств оптической системы, что необходимо в микроскопах совмещения установок рентгенолитографии с использованием синхротронного излучения, устройствах ввода-вывода информации из ЭШ, в лазерных технологических установках. Как правило, эти устройства функционируют в пределах естественной глубины каустики оптической системы, что резко ограничивает их возможности.
'. .Традиционные оптические элементы не позволяют эффективно управлять каустикой и создание новой элементной базы оптики вызвано необходимостью развития самых различных областей науки и техники. Новые возможности предоставляют дифракционные оптические элементы с кшоформным фазовыа профилем и лазерная технология для их производства, которая не связана с механической обработкой стекла и основана на применении групповых методов, аналогичных производству, микросхем и компакт-дисков.
Б этой связи создание и совершенствование методик расчёта и оптимизация характеристик дифракционных элементов,позволяющих видоизменять каустику, как с учетом требований и особенностей оптических систем, в которых они используются, так и с учётом особенностей оборудования, на котором они изготавливаются, а так.же развитие принципов построения новых оптических систем, включающих эти элементы, делают данную работу актуальной.
Работа проводилась в Институте автоматики и электрометрии СО АН СССР согласно плану комплексных научно-исследовательских работ по темам "Разработка и исследование новых функциональных систем и элементов когерентной и нелинейной оптики" гос.per. й 81083902, гос.per. J* 80039444; "Разработка фундаментальных проблем создания и совершенствования элементной базы квантовой электроники и перспективной оптики " гос.рег. Я ОГ.86.0058729.
Целью настоящей работы является исследование способов управления каустикой с помощью осесимметричных зонных пластинок с киноформным фазовым профилем, разработка и создание на базе проведённых исследований новых зонных пластинок.которые обладают увеличенной глубиной каустики или фокусируют излучение в кольцо.
Для осуществления этой цели предусматривается решение следующих задач:
анализ каустики фазовых зонных пластинок и способов ее преобразования;
разработка и исследование двухфокусной оптической системы с фазовыми зонными пластинками и микроскопа на ее основе ;
разработка методов расчета зонных пластинок с увеличенной глубиной фокуса;
разработка зонных пластинок с кольцевым импульсным откликом и исследование возможности их использования в мезо-оптических Фурье-микроскопах;
анализ влияния погрешностей изготовления зонных пластинок с киноформныи фазовым профилем на качество изображения.
Методы исследования. Основными методами решения поставленных задач служили методы геометрической оптики и скалярной теории дифракции, применение аппарата современной прикладной математики, математическое моделирование с использованием ЭШ, физический эксперимент в лабораторных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
теоретически исследованы закономерности светового поля в окрестности главного фокуса фазовых зонных пластинок, выходной зрачок которых содержит менее 10 киноформных зон;
предложен ряд двухфокусных оптических систем, состоящих из объективов и специальных зонтах пластинок, использование которых в микроскопах совмещения установок рентгенолитографш решает задачу одновременного, наблюдения шаблона и подложки;
разработан метод расчета киноформннх аксиконов,обеспечивающих наперед заданное распределение интенсивности вдоль оптической оси;
показано, что фокусировку светового излучения в кольцо
целесообразно осуществлять с поьюдьв модулированных зонних пластинок. Найдены дафракционные структуры элементов, опти-иальные для устройств вывода информации пз ЭВМ и мезоопти-ческях Фурье-микроскопов;
- предложен способ сценки качества изображения фазовых
зонных пластинок с Ескааешяма топологии, вносикшш в про
цессе изготовления.
Практическая значимость работн закяшается в разраи^ .
новых зонных пластинок и обосновании аффективное их использования в специализированных «лзкроскопах и устройствах вывода икфорлацЕИ из ЭВ.Т. Основные практические результаты состоят в следущам:
изготовлен и испытан какет двухфокусного микроскопа на основе зонной пластинки Руда. Оптическая схема какре-скопа оптимизирована в соответствии с требованиями на про-мызяеннув установку совмещения для рентгенодитографаи с использованием синхротронного излучения;
подтверждена целесообразность разработки системы для быстрого поиска событий в ядерной фотоэмульсии па основе ме-зооптпческото Фурье-микроскопа;
определены допуски на форму и расположение границ зон, а так ze требуемая точность совмещения фотоааблонов при изготовлении зонных пластинок;
разработанными обобщенными зошкш пластинками ссна-цены нерспеетивнне установки ректгенолптографии ШО"Восток", иезсоЕтнчзсЕий Фурье-кикроскоп ОИЯИ (г.Дубна), лабораторные стенды ИЭ Ш БССР (г.Мшск), что подтверждено актами.
Аігробглщя работн. Основные результаты диссертационной работы докладывались на I Меядународном семинаре по оптической обработке изображений (Новосибирск, 1982 г.), ІУ Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1984 г. ), Всесоюзном семинаре "Голографические оптические элементы и их применение в оптических рпраборах" (Москва, 1985 г.), ВсесоазЕОй конференции "Современные проблемы физики и ее приложений" (Москва, 1987 г.), Всесоюзном семинаре "Голо-гралааше оптические элементы и их применение в промншленнс-
ста" (Москва, 1987 г.), У Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987 г.), Ш Рабочем советанкп "К^шьютер-ная оптика" (Сухуми, 1988 г.), Международной конференции "Голография-89" (Варна, 1989 г.).
Структура и объем работа. Диссертационная работа излоке-на на 140 страницах машинописного текста, иллострируется 4 таблицам, 79 рисунката п фотографиями; состоит из введе-- ішя, пяти глав, списка литературы, вкличасцего 133 наименования, *: приложения, содержащего копил документов об использование резуїьгатса работы. В пастояцеЗ работе рассматриваются обобщенные зонные пластинки с раалпчннмз пэда'.я каусгн-" кп и это отражено в её структуре. Какдая глава посвящена одному еиду обобщённых зонних пластинок п их применениям. В первом параграфе каждой главы описывается состояние предмета исследований на цемент начала работы п обосновывается ее задачи, а заверсается глава краткими виводами.
На-защиту выносятся:
результаты математического моделирования процесса дифракции световых волн на фазовых зонных пластинках;
двухфокусные оптические системы на основе зонных пластинок, ептпгягпрущпз параметры микроскопов совмещения установок рентгенолитографаи с использованием синхротронного излучения ;
алгоритмы расчета обо&цёнкнх зонных пластинок:
а) Еахолдение дифракциснноЗ структуры элементов, обес-
печпващнх наперед заданное распределение интенсивности
вдоль оптической сси;
б) расчет и выбор параметров модулированных зонних
пластинок для фокусировки излучения в кольцо з устройствах
зыведа информации из ЭЕЛ и мезоептичеекпх системах;
- способ описания функции зрачка дифракционных оптиче
ских элементов с кянофоргязлм фазовкл профилем, изготавливае
мых с помогаю процесса фотолитографии, и алгоритм учета тех
нологических сшибок при оценке качества изображения.
