Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Оптимизация лазерной записи границ дифракционных зон для увеличения дифракционной эффективности ДОЭ 19
1.1. Методы изготовления дифракционных структур 22
1.2. Метод прямой лазерной записи 25
1.3. Возникновение эффекта обратного ската при прямой лазерной записи и связанное с ним падение дифракционной эффективности 31
1.4. Оптимизация шага записи 33
1.5. Использование более высокого порядка дифракции 33
1.6. Увеличение угла блеска 34
1.7. Попиксельная оптимизация данных для записи 34
1.8. Оптимизация границ дифракционных зон 38
1.9. Экспериментальная проверка метода оптимизации границ зон 40
1.10. Выводы 44
Глава II. Разработка и исследование комбинированного ДОЭ для контроля правильности изготовления дифракционной структуры, создающей асферический волновой фронт . 45
2.1. Комбинирование двух волновых фронтов методом деления на ячейки 48
2.2. Моделирование ошибок волнового фронта, возникающих при делении ДОЭ на ячейки 50
2.3. Экспериментальная проверка комбинированных ДОЭ 58
2.4. Выводы 64
Глава III. Метод исключения оптических неоднородностей подложки ДОЭ из результатов интерферометрического контроля асферической поверхности 65
3.1. Дифракционная эффективность комбинированного ДОЭ 69
3.2. Изготовление амплитудно-фазовой дифракционной структуры комбинированного ДОЭ 71
3.3. Экспериментальная проверка метода исключения влияния подложки из результатов интерферометрических измерений 74
3.4. Выводы 78
Глава IV. Разработка и экспериментальное исследование интерферометрических методов контроля крупногабаритных асферических зеркал астрономических телескопов при помощи ДОЭ . 79
4.1. Расчет дифракционной структуры ДОЭ для контроля асферической оптики.80
4.2. Аттестация ДОЭ по кольцевой дифракционной структуре, создающей сферический волновой фронт 85
4.3. ДОЭ-имитатор для проверки главного зеркала астрономического телескопа VISTA 87
4.4. Разработка ДОЭ-корректора и ДОЭ-имитатора для контроля главного зеркала телескопа EOS Technology 94
4.5. Разработка ДОЭ-имитатора для контроля главного зеркала телескопа обсерватории Las Cumbres Observatory 99
4.6. Разработка ДОЭ-корректора для контроля главного зеркала космического телескопа Спектр-УФ 102
4.7. Выводы 104
Заключение 105
Список используемой литературы: 107
- Возникновение эффекта обратного ската при прямой лазерной записи и связанное с ним падение дифракционной эффективности
- Моделирование ошибок волнового фронта, возникающих при делении ДОЭ на ячейки
- Изготовление амплитудно-фазовой дифракционной структуры комбинированного ДОЭ
- Разработка ДОЭ-корректора и ДОЭ-имитатора для контроля главного зеркала телескопа EOS Technology
Введение к работе
Использование асферической оптики позволяет существенно улучшить характеристики оптических систем. Без такой оптики практически невозможно создание миниатюрных оптических систем, таких как камеры мобильных телефонов и оптические головки CD и DVD проигрывателей. В современных фотообъективах находится, как правило, одна-две асферических линзы. В других высокотехнологичных приложениях -приборах ночного видения, проекционных литографических установках и космических системах, необходима оптика с большим числом асферических поверхностей. Главные зеркала астрономических телескопов, диаметр которых может достигать нескольких метров, имеют параболическую или гиперболическую форму. Таким образом, уже сейчас асферическая оптика используется во многих приложениях с габаритами оптических систем в диапазоне от миллиметров до нескольких метров. При этом, область ее применения на протяжении последних нескольких лет бурно расширяется.
Классические оптические элементы (линзы, призмы, зеркала и т.д.) имеют плоские, либо сферические поверхности. В отличие от них, радиальное сечение асферической поверхности описывается уравнением:
,Л т
Z{r) = — .ч+ІХ'" > (1)
Г ^2
l+JH'+A')|
где г - радиальная координата, R - радиус в вершине поверхности, К— коническая константа, ^„- коэффициенты корректирующего полинома, обеспечивающего возможность задания асферических элементов высших порядков. Различные типы асферики задаются следующим образом: К>0 сплюснутый эллипс, -\<К<0 вытянутый эллипс, К = 0 сфера, К = -1 парабола, К<-\ гипербола. Характерный вид асферической поверхности показан на Рис. 1.
Рис. 1. Характерный вид асферической поверхности.
При расчете асферических оптических элементов имеется гораздо больше свободных параметров, по сравнению с классическими элементами. Поэтому асферические оптические элементы могут быть рассчитаны так, чтобы лучше корректировать аберрации оптических систем при сохранении их характеристик. Это позволяет заменить одной асферической линзой несколько классических линз со сферическими поверхностями (Рис. 2).
(а) (б)
Рис. 2. Коррекция аберраций при помощи линзы со сферической (а) и асферической (б) поверхностью. Таким образом, использование асферических оптических элементов позволяет уменьшить общее количество элементов в оптических системах. Это позволяет создавать приборы с существенно меньшим весом и габаритами при сохранении или даже улучшении оптических характеристик. Точность изготовления оптической поверхности определяется методом ее контроля [1]. Без точного и надежного метода контроля невозможно изготовление оптической поверхности высокого качества. Для оптических систем качество поверхностей оптических элементов требуется обеспечить на уровне А/20. Для измерений, как правило, используется HeNe лазер с диной волны А,=632.8 нм. Площадь контролируемой поверхности может
достигать нескольких квадратных метров. Поэтому контроль качества таких
поверхностей является сложной задачей. Широкое применение асферической
оптики сдерживалось отсутствием такого метода. Контактные методы
контроля поверхностей такого размера требуют громоздких координатно-
измерительных комплексов. Такие системы дороги и позволяют
контролировать поверхности только небольшого размера. Основной
недостаток таких систем заключается в том, что требуется большое время
для измерений.
Точность контроля на уровне нанометров для классических оптических
элементов может быть обеспечена интерферометрическим методом (Рис. 3).
Но такой метод позволяет контролировать качество только плоских и
сферических поверхностей. Суть метода заключается в том, что объектная
волна отражается от контролируемой поверхности и интерферирует с
опорной волной, которая отражается от эталонной поверхности
интерферометра. В случае, когда контролируемая поверхность изготовлена
без ошибок, интерферограмма имеет вид поля равномерной интенсивности,
либо ровных полос, при небольшом наклоне контролируемой поверхности. В
том случае, когда контролируемая поверхность имеет ошибки, на
интерферограмме возникают искажения. Расшифровав эти искажения можно
построить карту ошибок волнового фронта, которая соответствует, в свою
очередь, ошибкам контролируемой поверхности. После этого ошибки
поверхности могут быть исправлены.
Опорная волна
Объектная волна
Эталонная поверхность
Контролируемая поверхность
Рис. 3. Интерферометрический контроль качества плоской поверхности при помощи
интерферометра Физо.
Существует два наиболее распространенных типа интерферометров: Тваймана-Грина и Физо [2]. В интерферометре Тваймана-Грина (Рис.4а) лазерный пучок расширяется с помощью коллиматора и разделяется на два параллельных пучка с помощью светоделительного кубика. Опорный пучок отражается от зеркала с эталонным качеством поверхности, после этого отражается от светоделительного кубика и попадает в анализирующую камеру. Объектный пучок, расширяется при помощи коллимирующего объектива и используется для измерений формы поверхности. Такой интерферометр может быть сделан очень компактным, качество поверхности опорного зеркала в силу его небольшого размера может быть выполнено с очень высоким качеством. Недостатком такой схемы является то, что коллимирующий объектив, который требуется для расширения объектного пучка, должен обладать высоким оптическим качеством, так как он влияет на результаты измерений. В противном случае он вносит искажения в результаты измерений.
В интерферометре Физо (Рис. 46) опорный пучок отражается от эталонной поверхности, которая находится после коллимирующего объектива, поэтому в этой схеме опорный и объектный пучки проходят по одному и тому же пути и вибрации, неоднородности в. оптических компонентах, а так же потоки воздуха внутри интерферометра не влияют на результаты измерений. Поэтому для высокоточных измерений чаще используется интерферометр типа Физо. При контроле плоских поверхностей используется стеклянная пластина с клином, при этом опорный пучок отражается от ее внешней эталонной поверхности. При контроле сферических поверхностей используются объективы, внешняя поверхность последней линзы которых является сферой с центром в фокусе объектива. Опорный пучок формируется за счет отражения от этой эталонной поверхности.
Зершю
Коллимирующая линза
Опорная
Диафрагма
Объектная волна
(а) (б)
Рис. 4. Схемы интерферометров Тваймана-Грина (а) и Физо (б).
В случае, когда контролируемая поверхность является асферической, то на интерферограмме возникает система колец (Рис. 56). При этом если форма асферической поверхности сильно отличается от сферы, то частота интерференционных сильно возрастает и их анализ становится невозможен.
Асферическая поверхность
(а)
(б)
Объектный сферический волновой фронт
Рис. 5. Схема интерферометрического контроля качества асферической поверхности
классическим методом (а), характерная интерферограмма асферической поверхности (б).
Существует несколько решений этой проблемы. Одно из них это
использование для измерений ИК-излучения, с большей длиной волны [3].
При этом частота интерференционных полос уменьшается, но при этом
пропорционально уменьшается и точность измерений.
Другой подход заключается в том, что анализируется только та область интерферограммы, на которой интерференционные полосы имеют достаточную для анализа ширину. После этого контролируемая поверхность смещается вдоль оптической оси так, чтобы эта область сместилась на интерферограмме, после чего делается повторный анализ и так далее. Результаты серии измерений объединяются между собой и восстанавливается полная карта ошибок измеряемой поверхности [4]. При использовании такого метода требуется большое время на измерения и при перемещении поверхности неизбежно возникают наклоны и боковые смещения поверхности, которые не всегда можно учесть при обработке результатов измерений.
Для небольшого класса поверхностей возможно введение в схему
контроля плоских или сферических зеркал так, что аберрации асферической'
поверхности будут скомпенсированы [5]. Например, для контроля
поверхностей параболической формы можно использовать плоское зеркало с
отверстием, которое помещено в фокус параболы (Рис. 5). В этом случае,
парабола преобразует сферический волновой фронт в плоский который
отражается от зеркала, после чего , Парабола
Интерферометр
Плоское зеркало Рис. 6. Контроль поверхности параболической формы
возвращается по тому же самому пути обратно в интерферометр. Но таким методом можно контролировать очень ограниченный класс асферических поверхностей, кроме того в нем используются дополнительные поверхности, поэтому такие схемы сложны в юстировке [6].
Настоящая диссертация посвящена интерферометрическому контролю асферических поверхностей при помощи корректора волнового фронта. Этот метод заключается в том, что в схему контроля вводится корректор волнового фронта, который преобразовывает объектную сферическую волну
в асферическую, форма которой соответствует расчетной форме контролируемой поверхности (Рис. 7а).
Рис. 7. Схема интерферометрического контроля качества асферической поверхности при помощи корректора волнового фронта (а), характерная интерферограмма асферической
поверхности (б).
В этом случае, если контролируемая асферическая поверхность изготовлена без ошибок, то асферическая волна отражается от нее перпендикулярно и проходит через корректор волнового фронта второй раз по тому же самому пути и преобразовывается обратно в сферическую волну. После этого, опорная и объектная волна интерферируют между собой и образуют либо поле равномерной интенсивности, либо ровные полосы, при наклоне контролируемой поверхности (Рис. 76). Таким образом, в случае ошибок асферической поверхности, задача анализа искажений, возникающих на интерферограмме, сводится к классической.
Однако, внесение в схему контроля корректора вносит искажения в результаты интерферометрических измерений за счет ошибок изготовления корректора, его неточной настройки и неправильной юстировки схемы контроля. Качество создаваемого корректором волнового фронта определяет качество изготовления асферической поверхности. Поэтому, в том случае, когда корректор вносит ошибку в измерения, это приводит к ошибке изготовления асферическая поверхности.
Корректор волнового фронта может быть выполнен в виде объектива на основе классических компонентов [7]. Однако, такие корректоры трудоемки в производстве и сложны в настройке. Поэтому, в последние годы в качестве корректоров волнового фронта часто используются дифракционные оптические элементы (ДОЭ). Толчком к применению ДОЭ послужила история с космическим телескопом Хаббл, когда 2.4-м зеркало было проконтролировано при помощи линзового корректора, который был неправильно настроен, в результате чего поверхность зеркала стала на 0.5 микрона отличаться от заданной формы [8]. Это ухудшило в 10 раз разрешающую способность телескопа. Для его ремонта потребовалась специальная экспедиция космического челнока шаттл.
Дифракционный оптический элемент представляет собой плоскую стеклянную подложку, на одной из сторон которой сформирована дифракционная структура [9], которая вносит фазовую задержку за счет модуляции коэффициента пропускания или высоты микрорельефа. Преимуществом ДОЭ является то, что дифракционная структура может быть заранее рассчитана на компьютере [10, 11, 12, 13], и обладать произвольной топологией так, чтобы сформировать наперед заданный волновой фронт. Современные высокоточные технологии изготовления ДОЭ позволяют сформировать микроструктуру так, чтобы обеспечить высокое качество создаваемого им волнового фронта [14]. За счет того, что такой корректор состоит только из одного элемента, схема контроля проще в настройке и, соответственно, обладает меньшими ошибками, связанными с неправильной юстировкой, что резко снижает вероятность неправильных измерений [15].
Точность интерферометрических измерений асферических поверхностей при помощи ДОЭ ограничивается недостатками технологии их изготовления [16]. В частности, ДОЭ имеют ограниченную дифракционную эффективность и на микроструктуре происходит паразитная дифракция света. Паразитное излучение может проникнуть в интерферометр и ухудшить параметр
сигнал/шум измерений, а также не позволить контролировать все поле асферической поверхности. Качество формируемого волнового фронта ограничено погрешностями изготовления дифракционной структуры ДОЭ. при этом ошибки асферического волнового фронта, создаваемого ДОЭ, не могут быть определены классическим интерферометрическим методом. Подложка ДОЭ не может быть выполнена абсолютно плоской и однородной, поэтому она всегда вносит искажения в волновой фронт и, соответственно, в результаты измерений.
Актуальность разработки методов увеличивающих точность интерферометрических измерений определяется тем, что асферические оптические элементы выходят на уровень массового производства, при этом требования к их качеству непрерывно увеличиваются. Таким образом, весьма актуальны ДОЭ с высокой дифракционной эффективностью и методы уменьшения искажений, которые ДОЭ вносят в результаты измерений.
Объектом исследования данной работы являются дифракционные оптические элементы (ДОЭ), технологических процесс их изготовления, методы высокоточного интерферометрического контроля асферических поверхностей.
Цель работы заключалась в разработке методов высокоточного интерферометрического контроля асферических поверхностей при помощи ДОЭ. Для этого в диссертации решались следующие задачи:
Разработка метода создания высокоэффективных ДОЭ с низким уровнем паразитной дифракции на микроструктуре ДОЭ, которые не вносят искажений в регистрируемые интерферограммы.
Разработка комбинированных ДОЭ, создающих одновременно асферический и сферический волновые фронты, и метода определения искажений асферического волнового фронта по интерферометрическому анализу сферического волнового фронта.
Разработка метода уменьшения влияния оптических неоднородно стей подложки ДОЭ на результаты интерферометрического контроля асферических поверхностей.
Разработка ДОЭ для интерферометрического контроля крупногабаритных зеркал астрономических телескопов и методов аттестации таких ДОЭ. Научная новизна диссертации:
Выявлены закономерности изменения формы микрорельефа при использовании различных методов оптимизации лазерной записи по фоторезисту. Установлено, что наиболее подвержены коррекции участки микрорельефа вблизи границ дифракционных зон.
Разработан новый метод оптимизации прямой лазерной записи, в котором корректируются только границы дифракционных зон, при этом кривая мощности записывающего пучка между зонами универсальна и слабо зависит от периода зон. Это позволяет оптимизировать нескольких ключевых периодов ДОЭ и интерполировать результаты на весь диапазон периодов, что требует значительно меньше вычислительных ресурсов.
Исследованы комбинированные ДОЭ, получаемые делением поверхности ДОЭ на ячейки в виде колец, полос, кольцевых секторов и записью в них разных дифракционных структур, которые формируют одновременно несколько независимых волновых фронтов. Теоретически и экспериментально показано, что для комбинированного ДОЭ, который одновременно создает сферический и асферический волновые фронты, ошибки асферического волнового фронта могут быть определены по интерферометрическому анализу сферического волнового фронта. Показано, что использование ячеек в виде кольцевых секторов приводит к снижению уровня дополнительных искажений в волновых фронтах, формируемых комбинированным ДОЭ, по сравнению с ячейками в виде колец и полос.
Разработан, рассчитан и изготовлен комбинированный осевой амплитудно-фазовый ДОЭ, который формирует два независимых волновых
фронта: один в режиме отражения, второй в режиме пропускания. Предложена схема интерферометрического контроля асферических зеркал с большой числовой апертурой на основе комбинированного амплитудно-фазового ДОЭ, в которой подложка не вносит искажений в результаты измерений, так как она находится в области общего хода опорного и объектного пучков интерферометра Физо.
Разработаны, изготовлены и внедрены на практике ДОЭ-корректоры и ДОЭ-имитаторы для контроля главного асферического зеркала телескопа VISTA (диаметр зеркала 4.1 м) для Южной Европейской Обсерватории (ESO), главного зеркала телескопа диаметром 2.4 м для обсерватории EOS Technology (США, Автралия), главного зеркала телескопа диаметром 2 м для обсерватории Las Cumbres Observatory и главного параболического зеркала для космического телескопа Спектр-УФ (диаметр 1.7 м). Разработан метод выявления ошибок изготовления таких ДОЭ по контрольной дифракционной структуре, формирующей сферический волновой фронт в режиме отражения. Контрольная дифракционная структура записывается вокруг основной дифракционной структуры, формирующей асферический волновой фронт, в едином технологическом процессе. Практическая значимость работы:
Разработанный метод оптимизации лазерной записи границ дифракционных зон увеличивает дифракционную эффективность ДОЭ и не требует при этом значительных вычислительных ресурсов. Метод может быть использован для создания ДОЭ других типов, для которых важна высокая дифракционная эффективность, таких как микролинзовые растры для датчиков Шэка-Гартмана, бифокальные интраокулярные линзы, фокусаторы и т.д.
Разработанный комбинированный ДОЭ, который формирует одновременно сферический и асферический волновые фронты, позволяет определить ошибки асферического волнового фронта по
интерферометрическому контролю сферического» волнового фронта. После этого эти ошибки могут быть вычтены из результатов контроля асферической поверхности, что увеличивает точность измерений.
Разработанный комбинированный амплитудно-фазовый ДОЭ, формирующий сферический волновой фронт в режиме отражения и асферический волновой фронт в режиме пропускания, исключает оптические неоднородности подложки из результатов измерений, что позволяет увеличить точность измерений.
Разработанные ДОЭ были использованы при контроле крупногабаритных зеркал астрономических телескопов в условиях цехового производства в ОАО ЛЗОС (г. Лыткарино), а также других асферических поверхностей, которые изготавливались в ФГУП ПО НПЗ (г. Новосибирск) и ФГУП НИИКИ ОЭП (г. Сосновый бор). Имеются акты о внедрении результатов диссертационной работы от ОАО ЛЗОС и ФГУП ПО НПЗ.
Апробация работы. Основные материалы, представленные в диссертации, доложены на международных конференциях по оптическим сенсорам и машинному зрению OSAV (Санкт-Петербург 2004, 2006), Международных конференциях «Optical Fabrication and Testing» (Рочестер 2006, 2008), Международной конференции «EOS Topical Meeting on Diffractive Optics» (Барселона 2007), Международной конференции «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург 2006), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT (Минск 2007), Международном форуме «Голография Экспо» (Москва 2007), Международной конференции «Advanced Optical and Mechanical Technologies in Telescopes and instrumentation» (Марсель 2008), Международной конференции «Optical Design and Engineering» (Глазго 2008), Всероссийской конференции «Солнечная корона и физика плазмы» (Новосибирск 2008).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 20 научных работах, включающих 5 статей в рецензируемых журналах [17, 21, 47,61,66].
Личный вклад автора. Автор выполнял расчеты дифракционных оптических элементов, компьютерное моделирование, принимал активное участие в проведении экспериментов, обработке результатов, постановке задач и подготовке научных публикаций. Основные положения, выносимые на защиту:
Оптимизация прямой лазерной записи окрестностей границ дифракционных зон увеличивает дифракционную эффективность ДОЭ с кусочно-непрерывным рельефом без привлечения значительных вычислительных ресурсов и снижает искажения в регистрируемых интерферограммах, обусловленные паразитными дифракционными порядками.
Деление ДОЭ на ячейки в виде кольцевых секторов и одновременная запись в них разных дифракционных структур обеспечивает снижение уровня дополнительных искажений при формировании нескольких независимых волновых фронтов.
Исключение влияния дефектов подложки ДОЭ на интерферометрические измерения асферических зеркал с большой числовой апертурой достигается включением в общий ход лучей интерферометра Физо комбинированного амплитудно-фазового ДОЭ, создающего измерительный асферический волновой фронт в режиме пропускания и опорный сферический волновой фронт в режиме отражения.
Изготовление в едином технологическом цикле основной дифракционной структуры, формирующей асферический волновой фронт, и вне ее зоны дополнительной дифракционной структуры, формирующей сферический волновой фронт в режиме отражения, позволяет выявить при
интерферометрическом контроле сферического волнового фронта погрешности изготовления всего ДОЭ. Структура диссертационной работы:
В главе I описан метод создания ДОЭ с высокой дифракционной-эффективностью, которые необходимы для подавления паразитных дифракционных порядков. Для создания таких ДОЭ предложен новый метод оптимизации лазерной записи границ дифракционных зон по фоторезисту. Показано, что такая оптимизация позволяет достичь дифракционной эффективности сравнимой с другими методами, однако при этом не требует больших вычислительных ресурсов.
В главе II описан метод комбинирования нескольких ДОЭ, создающих разные волновые фронты. Показано, что если ДОЭ одновременно создает сферический и асферический волновой фронт, то их ошибки связаны между собой. Таким образом, становится возможным измерить классическим интерферометрическим методом ошибки сферического волнового фронта и по ним определить ошибки асферического волнового фронта. Затем эти-данные могут быть учтены при контроле асферической поверхности. Рассмотрен метод создания ДОЭ, который создает несколько волновых фронтов делением его на ячейки, в которые записываются две различные дифракционные структуры. Исследованы ДОЭ с ячейками в виде колец и полос, а так же ДОЭ с предложенной конфигурацией ячеек в виде кольцевых секторов. При использовании такого метода комбинирования в волновые фронты ДОЭ вносятся искажения, обусловленные дифракцией света на границах ячеек и взаимной интерференцией волновых фронтов; Теоретически и экспериментально показано, что при использовании ячеек в виде кольцевых секторов такие вносимые искажения гораздо меньше, чем при использовании ячеек в виде колец и полос.
В главе Ш рассмотрен метод, позволяющий исключить ошибки подложки ДОЭ из результатов интерферометрических измерений. Описан
метод на основе комбинированного ДОЭ с амплитудно-фазовой дифракционной структурой, который одновременно создает сферический опорный волновой фронт в режиме отражения и асферический объектный волновой фронт в режиме пропускания. В предложенной схеме контроля подложка ДОЭ находится в области общего хода пучков и, в соответствии с принципом Физо, не влияет на результаты измерений.
Возникновение эффекта обратного ската при прямой лазерной записи и связанное с ним падение дифракционной эффективности
Цель работы заключалась в разработке методов высокоточного интерферометрического контроля асферических поверхностей при помощи ДОЭ. Для этого в диссертации решались следующие задачи: 1. Разработка метода создания высокоэффективных ДОЭ с низким уровнем паразитной дифракции на микроструктуре ДОЭ, которые не вносят искажений в регистрируемые интерферограммы. 2. Разработка комбинированных ДОЭ, создающих одновременно асферический и сферический волновые фронты, и метода определения искажений асферического волнового фронта по интерферометрическому анализу сферического волнового фронта. 3. Разработка метода уменьшения влияния оптических неоднородно стей подложки ДОЭ на результаты интерферометрического контроля асферических поверхностей. 4. Разработка ДОЭ для интерферометрического контроля крупногабаритных зеркал астрономических телескопов и методов аттестации таких ДОЭ. Научная новизна диссертации: 1. Выявлены закономерности изменения формы микрорельефа при использовании различных методов оптимизации лазерной записи по фоторезисту. Установлено, что наиболее подвержены коррекции участки микрорельефа вблизи границ дифракционных зон. 2. Разработан новый метод оптимизации прямой лазерной записи, в котором корректируются только границы дифракционных зон, при этом кривая мощности записывающего пучка между зонами универсальна и слабо зависит от периода зон. Это позволяет оптимизировать нескольких ключевых периодов ДОЭ и интерполировать результаты на весь диапазон периодов, что требует значительно меньше вычислительных ресурсов. 3. Исследованы комбинированные ДОЭ, получаемые делением поверхности ДОЭ на ячейки в виде колец, полос, кольцевых секторов и записью в них разных дифракционных структур, которые формируют одновременно несколько независимых волновых фронтов. Теоретически и экспериментально показано, что для комбинированного ДОЭ, который одновременно создает сферический и асферический волновые фронты, ошибки асферического волнового фронта могут быть определены по интерферометрическому анализу сферического волнового фронта. Показано, что использование ячеек в виде кольцевых секторов приводит к снижению уровня дополнительных искажений в волновых фронтах, формируемых комбинированным ДОЭ, по сравнению с ячейками в виде колец и полос. 4. Разработан, рассчитан и изготовлен комбинированный осевой амплитудно-фазовый ДОЭ, который формирует два независимых волновых фронта: один в режиме отражения, второй в режиме пропускания. Предложена схема интерферометрического контроля асферических зеркал с большой числовой апертурой на основе комбинированного амплитудно-фазового ДОЭ, в которой подложка не вносит искажений в результаты измерений, так как она находится в области общего хода опорного и объектного пучков интерферометра Физо. Разработаны, изготовлены и внедрены на практике ДОЭ-корректоры и ДОЭ-имитаторы для контроля главного асферического зеркала телескопа VISTA (диаметр зеркала 4.1 м) для Южной Европейской Обсерватории (ESO), главного зеркала телескопа диаметром 2.4 м для обсерватории EOS Technology (США, Автралия), главного зеркала телескопа диаметром 2 м для обсерватории Las Cumbres Observatory и главного параболического зеркала для космического телескопа Спектр-УФ (диаметр 1.7 м). Разработан метод выявления ошибок изготовления таких ДОЭ по контрольной дифракционной структуре, формирующей сферический волновой фронт в режиме отражения. Контрольная дифракционная структура записывается вокруг основной дифракционной структуры, формирующей асферический волновой фронт, в едином технологическом процессе. Практическая значимость работы: 1. Разработанный метод оптимизации лазерной записи границ дифракционных зон увеличивает дифракционную эффективность ДОЭ и не требует при этом значительных вычислительных ресурсов. Метод может быть использован для создания ДОЭ других типов, для которых важна высокая дифракционная эффективность, таких как микролинзовые растры для датчиков Шэка-Гартмана, бифокальные интраокулярные линзы, фокусаторы и т.д. 2. Разработанный комбинированный ДОЭ, который формирует одновременно сферический и асферический волновые фронты, позволяет определить ошибки асферического волнового фронта по интерферометрическому контролю сферического» волнового фронта. После этого эти ошибки могут быть вычтены из результатов контроля асферической поверхности, что увеличивает точность измерений. 3. Разработанный комбинированный амплитудно-фазовый ДОЭ, формирующий сферический волновой фронт в режиме отражения и асферический волновой фронт в режиме пропускания, исключает оптические неоднородности подложки из результатов измерений, что позволяет увеличить точность измерений. 4. Разработанные ДОЭ были использованы при контроле крупногабаритных зеркал астрономических телескопов в условиях цехового производства в ОАО ЛЗОС (г. Лыткарино), а также других асферических поверхностей, которые изготавливались в ФГУП ПО НПЗ (г. Новосибирск) и ФГУП НИИКИ ОЭП (г. Сосновый бор). Имеются акты о внедрении результатов диссертационной работы от ОАО ЛЗОС и ФГУП ПО НПЗ.
Моделирование ошибок волнового фронта, возникающих при делении ДОЭ на ячейки
Условно методы изготовления дифракционной оптики можно разделить на световые и несветовые. Для несветовых методов наилучшие результаты достигаются при точении алмазным резцом [22]. Такая технология позволяет получать ДОЭ с пилообразным профилем с высокой дифракционной эффективностью. Однако, такая технология не позволяет создавать микроструктуры с геометрией, не обладающей линейной или круговой симметрией. Также такая технология создает большое количество дефектов и микротрещин в микроструктуре, на которых происходит поглощение и рассеяние света. В процессе точения алмазный резец неизбежно деградирует, что приводит к падению качества ДОЭ. Наилучшие результаты были получены для точения алюминия и меди, была достигнута неровностью профиля до 1 нм, такие ДОЭ могут быть использованы в режиме отражения, либо в качестве матриц для репликации [23].
Электронно-лучевая запись (e-beam) [24] позволяет создавать микроструктуры произвольной геометрии с высоким разрешением. Для такой технологии требуется проводить запись в вакуумной камере и использовать.дополнительный проводящий слой под фоторезистом для того, чтобы избежать наведения на него заряда. Минимальный размер записывающего пятна составляет 100 нм, но существуют системы, в которых он достигает 2 нм [25]. Однако, уширение электронного пучка за счет рассеяния электронов в пленке фоторезиста (proximity effect) приводит к тому, что эффективный диаметр записывающего пятна составляет 1 мкм. Поэтому, минимальный размер многоуровневых структур с глубиной более Г мкм, составляет 3-5 мкм, для бинарных структур с маленькой глубиной1 рельефа минимальный размер может составлять 50 нм. Использование такой технологии стало возможно благодаря прогрессу в микроэлектронной промышленности, для которой изначально были разработаны такие системы. Однако, такие установки дороги, их стоимость составляет 3-5 миллионов долларов, кроме того, сама эксплуатация таких систем также очень затратная. Как правило, ДОЭ, получаемые таким методом, не превышают нескольких квадратных сантиметров, в то время как для контроля асферической- оптики требуются ДОЭ, диаметр которых достигает сотен миллиметров. Большинство таких систем оптимизировано для микроэлектронной промышленности и предназначены для изготовления структур на тонких подложках. В свою очередь, для тонких подложек сложно обеспечить высокое оптическое качество. Для ДОЭ требуются подложки с соотношением толщины к диаметру как минимум 1:8 для того, чтобы избежать деформации поверхности. Существует также ионно-лучевой метод записи [26], для него характерны те же самые недостатки, что и для электронно-лучевого метода.
Существует метод записи при помощи рентгеновского излучения через маски, которые непрозрачны для такого излучения. Запись ведется в РММА, скорость растворения которого зависит от степени облучения рентгеновским излучением. В том случае, если маска представляет собой треугольник, ее смещением можно сформировать пилообразный профиль [27]. Недостатком такого метода является то, что он позволяет создавать ДОЭ только круговой или плоской симметрии и в настоящее время не было получено хорошее качество поверхности микроструктуры.
К световым методам можно отнести интерференционно-голографическую технологию [28]. Это классический метод создания ДОЭ, которым были изготовлены первые ДОЭ. Недостатком такой технологии является то, что она не позволяет создавать произвольную дифракционную структуру и обладает низким разрешением. Существует также метод, в котором запись ведется одновременно двумя пучками, которые интерферируют между собой. В этом случае, пятно представляет собой набор линий равной ширины. За счет такого распределения интенсивности в записывающем пятне можно создавать дифракционные структуры за меньшее время. Недостатком такого метода является то, что он позволяет формировать только периодичные решетки [29].
Многомасочная литография позволяет создавать как бинарные, так и многоуровневые дифракционные структуры [30]. В соответствии с этим методом, позитивный фоторезист экспонируется через маску, после процесса проявления, образец экспонируется через следующую маску с последующим тралением, в результате число уровней рельефа увеличивается вдвое. При этом, вначале происходит облучение через маску с минимальными размерами окон, затем с более крупными. Для такого метода характерны очень жесткие требования на изготовления масок и их совмещение. Травление фоторезиста должно производиться до строго заданной глубины, в противном случае возникают большие искажения микрорельефа. Кроме того, дифракция на границах масок приводит к паразитной засветке фоторезиста и расплыванию профиля микроструктуры. Такая технология из-за своей сложности не подходит для создания прототипов или маленьких партий ДОЭ, в то время как ДОЭ часто требуются в единственном экземпляре. Прямая лазерная запись [31] позволяет изготавливать как бинарные так и многоуровневые ДОЭ, с произвольной микроструктурой, с диаметром до 300 мм и точностью, не уступающей электронно-лучевому методу. Управление мощностью записывающего пучка при помощи акустооптического модулятора с большой частотой и точностью позволяет создавать микроструктуры с многоуровневым рельефом с размером микроструктур до 3 мкм и амплитудных микроструктур с минимальным размером структуры до 0.8 мкм. Такая технология позволяет создавать микроструктуры со сложным поверхностным рельефом за один технологический процесс экспозиции с последующим проявлением или травлением фотоматериала. Изготовленные таким методом микроструктуры могут быть использованы как в качестве матриц для массового производства ДОЭ или напрямую использоваться в качестве ДОЭ. Преимуществом этого метода является его гибкость, что позволяет использовать его для небольших партий ДОЭ и прототипов.
Изготовление амплитудно-фазовой дифракционной структуры комбинированного ДОЭ
Выбор оптимального шага записи [48] s позволяет увеличить дифракционную эффективность и подавить возникновение волн на поверхность рельефа. Волны на поверхности профиля возникают при слишком большом шаге записи. Слишком маленький шаг записи ведет к перекрыванию нескольких соседних экспонированных участков и, следовательно, к расширению обратного ската. При оптимальном шаге записи оба эти эффекта минимальны. Результаты моделирования показывают, что этот метод позволяет увеличить эффективность на 6% для 5 мкм периода и размере пятна 1 мкм (1/е), и 2% - для периода 10 мкм [49].
Как правило, ДОЭ рассчитаны для работы в первом порядке дифракции. При увеличении порядка дифракции пропорционально увеличивается период и глубина дифракционных зон. В предположении, что обратный скат слабо зависит от глубины рельефа, относительная площадь ДОЭ, занятая обратными скатами, уменьшается и дифракционная эффективность увеличивается. Однако, эксперименты показывают некоторое расширение обратного ската [50], которое можно объяснить конечным размером перетяжки записывающего пучка, за счет чего при записи микроструктур с большой глубиной эффективный диаметр записывающего пятна увеличивается. Расширение обратного ската происходит также за счет использования низко-контрастных проявителей. С увеличением дифракционного порядка, увеличивается их чувствительность к ошибкам формы и глубины профиля. Поэтому, с практической точки зрения, неоптимально использование порядка дифракции выше третьего [51].
При увеличении угла блеска дифракционных зон с превышением расчетного, при фиксированной средней точке профиля также может быть достигнуто увеличение дифракционной эффективности [38]. Моделирование показывает увеличение эффективности для первого порядка от 63.7% до 66.3%, при увеличении угла блеска на 15% для 10 мкм периода и радиуса записывающего пучка 1.4 мкм (на уровне е" ).
Использование данного метода усложняется, в случае, когда периоды зон меняются в широком диапазоне. В этом случае каждый период требуется оптимизировать индивидуально. Этот метод удобен для одномерных задач, в двумерном случае сложность вычислений значительно возрастает.
Наилучшие результаты по увеличению дифракционной эффективности были достигнуты при использовании метода индивидуальной попиксельной оптимизации (ИПО). Метод ИПО основан на том, что каждое значение данных для записи варьируется и подбирается таким образом, чтобы получить максимальную дифракционную эффективность. Оптимизация данных для записи может выполняться по различным критериям: дифракционной эффективности (ИПОДЭ), отклонению формы профиля Дс от идеальной формы (ИПОГЕОМ), либо их комбинации (ИПОКОМБ). Алгоритм оптимизации основан на известном эволюционном алгоритме симулированного отжига [52]. Теоретически, чем больший диапазон для варьирования данных для записи доступен, тем большая дифракционная эффективность может быть достигнута. Hessler в своих работах [38] использовал диапазон в три раза превышающий значения данных для записи по сравнению со неоптимизированными данными. Однако, такое неэффективное использование динамического диапазона пропорционально увеличивает неровности профиля. Это происходит из-за того, что соответственно уменьшается разрешение для интенсивности и вырастает вклад от шумов модулятора. Этот эффект ухудшает качество микрорельефа, так как для его создания используется меньше уровней дискретизации. В настоящей работе был использован умеренный диапазон модуляции, который был в 1,5 раза больше, чем для неоптимизированных данных для записи.
Для оптимизации данных для записи и сравнения результатов с другими авторами был разработан алгоритм оптимизации на основе алгоритма симулированного отжига (Рис. 1.8). Прямая лазерная запись была смоделирована в соответствии с уравнениями (1.1-1.5).
Разработка ДОЭ-корректора и ДОЭ-имитатора для контроля главного зеркала телескопа EOS Technology
При интерферометрическом контроле асферических поверхностей возможны ситуации, когда паразитные дифракционные порядки проникают в интерферометр и приводят к возникновению искажений на интерферограмме. В таких случаях необходимо использовать ДОЭ с высокой дифракционной эффективностью, с низким уровнем паразитных дифракционных порядков. Показано, что оптимизация прямой лазерной записи по фоторезисту позволяет увеличить дифракционную эффективность ДОЭ. Исследован метод индивидуальной попиксельной оптимизации, который позволяет существенно улучшить дифракционную эффективность ДОЭ, но требует больших вычислительных ресурсов. На основе того метода предложен новый метод оптимизации границ дифракционных зон, в котором оптимизированная кривая мощности записывающего пучка между зонами универсальна и слабо зависит от периода зон. Это позволяет оптимизировать нескольких ключевых периодов ДОЭ и интерполировать результаты на весь диапазон периодов, что требует значительно меньше вычислительных ресурсов. Экспериментально показано, что использование предложенного метода позволяет увеличить дифракционную эффективность ДОЭ с кусочно-непрерывным рельефом на 5-7%. Глава II. Разработка и исследование комбинированного ДОЭ для контроля правильности изготовления дифракционной структуры, создающей асферический волновой фронт.
Для таких приложений как литографические системы, проекционная оптика, фотооптика, зеркальные телескопы, где используется большое количество оптических элементов с асферическими поверхностями, требуется обеспечить очень высокое качество контроля всех компонентов. При интерферометрическом контроле асферической оптики при помощи ДОЭ неизбежно возникают систематические ошибки в виде аберраций, вносимых оптикой интерферометра, неоднородностями подложки ДОЭ и погрешностями изготовления дифракционной структуры ДОЭ. В таких случаях требуется проводить калибровку интерферометра и ДОЭ.
Существуют методы аттестации интерферометра, для определения ошибок плоского опорного волнового фронта интерферометра используется метод трех пластин [54]. Для аттестации объективов, создающих опорный сферический волновой фронт существует метод, основанный на Зх измерениях сферического зеркала [55].
Проблема аттестации интерферометра при контроле асферической оптики заключается в том, что такая оптика контролируется при помощи корректора волнового фронта. Для аттестации корректора требуется создать эталонный асферический волновой фронт, который в свою очередь не может быть получен без использования другого корректора.
В настоящей главе исследован метод аттестации ДОЭ по встроенной дифракционной структуре. Первая структура создает асферический волновой фронт и используется для контроля асферической поверхности. Второй волновой фронт сферический и используется для аттестации ДОЭ. Для аттестации ДОЭ по вспомогательной микроструктуре, создающей сферический волновой фронт необходимо, чтобы обе структуры были изготовлены одновременно во время одного и того же технологического процесса. В этом случае погрешности их изготовления будут одинаковыми и, соответственно, погрешности обоих волновых фронтов будут связаны между собой. Погрешность восстанавливаемой ДОЭ фазы АФ(х,у) волнового фронта определяется точностью изготовления дифракционной микроструктуры как: , N „ six,у] где є(х,у) - локальная ошибка изготовления микроструктуры в направлении, перпендикулярном штрихам, d{x,y)— локальный период дифракционных зон, т - номер дифракционного порядка, в котором работает ДОЭ, Л— длина волны. Из (2.1) видно, что для получения волнового фронта с точностью Л/20 при периоде микроструктуры 2 мкм, требуется обеспечить точность изготовления штрихов в пределах 0.1 мкм. Из условия того, что обе дифракционные структуры изготавливаются одновременно, следует, что ошибки изготовления для обеих структур одинаковы, поэтому можно определить ошибки асферического волнового фронта ДФ через ошибки сферического волнового фронта ДФ,. следующим образом [56]:
