Разработка и исследование дифракционных оптических элементов для интерферометрического контроля асферических поверхностей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

НАСЫРОВ Руслан Камильевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

01.04.05 «Оптика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДПР Ш

Новосибирск - 2009

003466733

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Полещук Александр Григорьевич

доктор технических наук Нежевенко Евгений Семенович

доктор технических наук, профессор Поллер Борис Викторович

Ведущая организация

Учреждение Российской академии наук Институт систем обработки изображений РАН (ИСОИ РАН)

Защита диссертации состоится «5» 2009 года в 10 час. 00 мин. на

заседании диссертационного совета Д 003.005.01 при Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск, проспект Академика Коптюга, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАиЭ СО РАН. Автореферат разослан « 3 » ДИ^эбЛД 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук ( Насыров К. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время асферическая оптика широко применяется в различных оптических системах, от миниатюрных камер мобильных телефонов до гигантских астрономических телескопов. Классические оптические элементы (линзы, призмы, зеркала и т.д.) имеют плоские или сферические поверхности. В отличие от них форма поверхности асферических оптических элементов не ограничена сферой. Использование таких элементов позволяет рассчитывать оптические системы с лучшей компенсацией аберраций при тех же и лучших характеристиках. Применение асферической оптики существенно уменьшает вес и габариты оптических систем, так как одна асферическая линза заменяет собой несколько обычных линз со сферическими поверхностями.

Для получения высококачественных оптических поверхностей необходимо контролировать процесс их изготовления. Методы контроля должны обеспечивать точность вплоть до 1/20 длины волны по всей площади поверхности, которая может достигать нескольких квадратных метров. Классический интерферометрический метод позволяет контролировать с такой точностью только плоские или сферические поверхности. Для контроля асферической оптики необходимо использовать корректор волнового фронта, который преобразовывает асферический волновой фронт в плоский или сферический и, таким образом, позволяет применять для его анализа классический интерферометрический метод (А. Offner).

Корректоры волнового фронта на основе линз или зеркал сложны в настройке, так как состоят из большого количества оптических элементов. При неправильной настройке корректора асферический волновой фронт формируется с искажениями, что приводит к ошибкам измерения и изготовления поверхности.

В последние годы в качестве корректоров часто используются дифракционные оптические элементы (ДОЭ), представляющие собой плоскую оптическую подложку, на одной из сторон которой находится дифракционная структура. Такие элементы основаны на эффекте дифракции света на микроструктуре и позволяют сформировать волновой фронт заданной формы (А. Ломан). Дифракционная структура ДОЭ может быть рассчитана на компьютере так, чтобы сформировать асферический волновой фронт с формой, совпадающей с расчетной формой контролируемой поверхности (К.С. Мустафин, A.B. Лукин, Н.П. Ларионов, М.А. Ган, Г.И. Грейсух, J.C. Wyant, J.H. Bürge и др.). Рассчитанные ДОЭ с бинарным или непрерывным профилем дифракционной структуры могут быть изготовлены фотолитографическим методом (Ю.Г. Туркевич, Дж. Велдкамф), алмазным точением (А. В. Лукин), лазерной записью на тонких пленках халькогенидных стеклообразных полупроводников (Б. Медникаров) или пленках хрома (В.П. Вейко, В.П.

Коронкевич, А.Г. Полещук и др.). Схема контроля асферической поверхности с дифракционным корректором волнового фронта гораздо проще в настройке, благодаря чему вероятность ошибочных измерений резко уменьшается.

Точность интерферометрического контроля асферических поверхностей ограничивается искажениями, которые ДОЭ вносит в результаты измерений за счет погрешностей изготовления дифракционной структуры и неидеальности подложки. В силу ограниченной дифракционной эффективности ДОЭ на его микроструктуре происходит паразитная дифракция света. Паразитное излучение может проникнуть в интерферометр и вызвать искажения на регистрируемой интерферограмме в результате интерференции с опорной и объектной волнами интерферометра.

Актуальность разработки и исследования ДОЭ для контроля асферических поверхностей обусловлена тем, что область применения асферической оптики в настоящее время постоянно расширяется, при этом требование к качеству ее изготовления непрерывно растет. Для дальнейшего увеличения точности интерферометрического контроля необходима разработка методов уменьшения искажений, которые ДОЭ вносят в результаты измерений.

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 неоднородностей 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.

5. 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 JI30C (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.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

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 [1-5]. 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.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения с актами о внедрении, списка цитируемой литературы (76 наименований); изложена на 114 страницах; включает 68 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обсуждается актуальность темы, рассмотрена технология изготовления ДОЭ, описано применение ДОЭ для интерферометрического контроля асферических поверхностей, сформулированы основные задачи работы, изложено краткое содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена разработке методов увеличения дифракционной эффективности ДОЭ. Как правило, ДОЭ работают в первом порядке дифракции, при этом свет дифрагирует и в остальные, паразитные, дифракционные порядки. В случае, когда такое паразитное излучение проникает в интерферометр, оно вызывает искажения на регистрируемой интерферограмме в результате интерференции с опорной и объектной волнами. Это приводит к ухудшению параметра сигнал/шум измерений и невозможности контролировать всю площадь асферической поверхности. Для уменьшения количества света в паразитных дифракционных порядках необходимо использовать ДОЭ с кусочно-непрерывным рельефом, который обладает высокой дифракционной эффективностью.

Для создания ДОЭ с таким профилем микрорельефа использовался метод прямой лазерной записи по фоторезисту. Лазерная запись проводилась на фотопостроителе CLWS-300IAE, разработанном в ИАиЭ СО РАН. Заданное распределение экспозиции в фоторезисте создавалось сканирующим лазерным пучком, мощность которого управлялась акустооптическим модулятором. После проявления фоторезиста распределение экспозиции преобразовывалось в кусочно-непрерывный рельеф. Из-за гауссова распределения интенсивности в

записывающем пучке распределение экспозиции формируется с искажениями (рис. 1). В результате на микрорельефе возникают обратные скаты, которые значительно снижают дифракционную эффективность.

Оптимизацией мощности

записывающего пучка можно уменьшить вклад этого негативного эффекта и получить микрорельеф с большей дифракционной эффективностью (Hessler Т., Rossi М., Kunz R.E.). В том случае, когда оптимизация выполняется только из условия достижения максимальной дифракционной эффективности ДОЭ, часто возникают решения, в которых требуется скачкообразное изменение мощности записывающего пучка на каждом шаге сканирования (рис. 2а). Такую модуляцию мощности излучения технически сложно обеспечить, кроме того, качество микрорельефа значительно падает при неточном позиционировании записывающего пучка. Этот тип оптимизации дает нестабильные результаты, которые сильно меняются при небольшом изменении периода. Поэтому оптимизация должна проводиться для каждого периода в отдельности, что требует большого количества вычислительных ресурсов, гак как ДОЭ состоят из десятков тысяч дифракционных зон с разными периодами.

ГТ-Т—ГТ-Т П—Л-1 11111111111 ггтг.гт..! г.|..г.г

шаг сканирования шаг сканирования шаг сканирования

а б в Рис. 2

Проведенное компьютерное моделирование показало, что в среднем наибольшей коррекции подвержена запись границ дифракционных зон (рис. 26). На основании этого результата был разработан новый метод, который ограничивается оптимизацией границ дифракционных зон (ОГЗ), при этом кривая мощности записывающего пучка, соответствующая переходу между

Мощность записывающего пучка

Pf

-П

Распределение интенсивности в записывающем пучке

Распределение экспозиции в фоторезисте

Форма

Обратный

Рис. 1

дифракционными зонами, задается в виде двух ступенек а и Ь и зоны с, где излучение отсутствует (рис. 2в). Было показано, что ширина и высота ступенек а и Ь и ширина зоны с слабо меняются при небольшом изменении периода, что позволяет выполнить ОГЗ для нескольких периодов ДОЭ и затем интерполировать результаты на весь диапазон периодов. Таким образом, требования к вычислительным ресурсам снижаются в десятки тысяч раз при небольшой потере дифракционной эффективности по сравнению с оптимизацией мощности записывающего пучка на каждом шаге сканирования.

Были изготовлены дифракционные решетки без оптимизации и с ОГЗ. Экспериментально показано, что ОГЗ увеличивает дифракционную эффективность до 7% при размерах зон менее 5 мкм и до 5% при размерах зон более 10 мкм (рис. 3). Метод был применен для создания асферической дифракционной линзы, в которой ОГЗ была выполнена периодов 3 мкм, 5 мкм, 7 мкм, 10 мкм и результаты были интерполированы на весь диапазон периодов ДОЭ (рис. 4).

100

чО

Ь 90

к -о

Е Н § § 80 Я Е 2 и

| I 70

-СГ (У

§#60

<т>

50

—без оптимизации -ОГЗ экспериментальные данные: ♦ без оптимизации ■ ОГЗ

г?

с? о

(Я

95

90

^ 85 н

§ 80 £

I X

0

1 §75

3

||70 4 ^65

— без оптимизации --ОГЗ

«. экспериментальные данные для ОГЗ

15

6 9

период (мкм)

12

3 6 9 12

период (мкм)

Рис. 3 Рис. 4

Вторая глава посвящена методу выявления погрешностей асферического волнового фронта, создаваемого комбинированным ДОЭ, по интерферометрическому анализу сферического волнового фронта, формируемого вспомогательной дифракционной структурой.

Для создания комбинированного ДОЭ его поверхность разбивается на ячейки, в которые на фотопостроителе поочередно вписываются разные дифракционные структуры (Полещук А.Г. ЯекЛек 8.). Характерный размер ячеек не превышает 100 мкм, поэтому обе дифракционные структуры записываются практически одновременно. В этом случае ошибки формирования волновых фронтов связаны между собой как

ДФ,

где АФа и ДФ8 ошибки асферического и сферического волновых фронтов, (1Л и с13 периоды дифракционных структур, создающих асферический и сферический волновые фронты.

Были исследованы комбинированные ДОЭ с ячейками в виде колец (рис. 5а), полос (рис. 56) и разработан новый тип ДОЭ с ячейками в виде кольцевых секторов (рис. 5в). На рис. 6 приведены фотографии дифракционных структур, соответствующих делению ДОЭ на ячейки в виде колец (рис. 6а), полос (рис. 66) и кольцевых секторов (рис. 6в).

Ошибки сферического волнового фронта комбинированного ДОЭ могут быть измерены классическим интерферометрическим методом и по ним определены ошибки асферического волнового фронта. После этого ошибки асферического волнового фронта вычитаются из результатов контроля асферической поверхности, что увеличивает точность измерений.

Деление ДОЭ на ячейки вносит искажения в формируемые им волновые фронты, что обусловлено паразитной дифракцией на границах ячеек и взаимной интерференцией между волновыми фронтами. На фотопостроителе были изготовлены амплитудные комбинированные ДОЭ с тремя типами ячеек, формирующие одновременно сферический и асферический волновые фронты. Ошибки сферического волнового фронта были измерены классическим интерферометрическим методом. Показано, что для ДОЗ с ячейками в виде колец на карте ошибок сферического волнового фронта имеются искажения кольцевой формы (рис. 7а). Для ДОЭ с ячейками в виде полос имеются искажения, расположенные вдоль линии (рис. 76). Для ДОЭ с ячейками в виде кольцевых секторов явных искажений не имеется (есть только ошибка, связанная с дефектом ДОЭ, но не с методом комбинирования) (рис. 7в).

50

¡1

,0 1

а о в

Рис. 7

Метод определения ошибок асферического волнового фронта по анализу сферического волнового фронта был экспериментально продемонстрирован при изготовлении ДОЭ с ячейками в виде кольцевых секторов, который формировал два сферических волновых фронта с радиусами 65 мм и 80 мм. На рис. 8 показаны измеренные карты ошибок сферического волнового фронта с радиусом 65 мм (рис. 8а), 80 мм (рис. 86) и их разность (рис. 8в). Ошибки обоих волновых фронтов с хорошей точностью совпадают, что подтверждает метод определения ошибок асферического волнового фронта по ошибкам сферического волнового фронта. 0-1 ПИ^Т^^^И 0.09ПМШЖ"1^ИИ 0 07Г

Третья глава посвящена разработке метода исключения из результатов контроля асферической поверхности ошибок, связанных с оптическими неоднородностями подложки ДОЭ. Внутри интерферометра типа Физо опорный и объектный пучки проходят по одному и тому же пути, поэтому дефекты в этой области практически не влияют на результаты измерений. Подложка ДОЭ при интерферометрическом контроле асферической поверхности находится в области разного хода лучей и ее оптические неоднородности вносят искажения в результаты измерений. Подложка не может быть сделана абсолютно плоской и однородной, при этом ее вклад в ошибку измерений наиболее значителен по сравнению с другими источниками ошибок.

Оптические неоднородности подложки исключаются из результатов измерений в случае, когда она находится в области общего хода пучков интерферометра Физо. Такая схема измерений может быть реализована при

использовании комбинированного ДОЭ, дифракционная структура которого формирует два независимых волновых фронта: один в режиме пропускания, другой в режиме отражения. В этом случае ДОЭ формирует одновременно опорный и объектный пучки так, что они оба проходят через подложку (рис. 9).

Предложен, разработан и исследован новый тип комбинированного ДОЭ, который преобразовывает падающую на него сферическую волну в асферическую, что позволяет контролировать зеркала с большой числовой

апертурой. Исходную

Асферическая поверхность

Сферический волновой фронт

Опорный пучок

Объектный пучок

Рис. 9

сферическую волну всегда можно выбрать таким образом, что минимальный период дифракционной структуры ДОЭ не выйдет за пределы технологических ограничений фотопостроителя.

Дифракционная структура комбинированного ДОЭ была реализована как бинарный которого были сформированы

фазовый микрорельеф, на вершинах амплитудные зоны (рис. 10). Изготовленная микроструктура приведена на рис. 11. Фазовая дифракционная структура работала в режиме пропускания, амплитудная - в режиме отражения.

Амплитудная дифракционная структура

Фазовая дифракционная структура ^^^^^^^^

Рис.10 Рис.11

В эксперименте по проверке принципа исключения оптических неоднородностей подложки из результатов измерений при помощи комбинированного ДОЭ измерялось сферическое зеркало, качество поверхности которого было проконтролировано независимо. Дефекты подложки моделировались тонкой стеклянной пластинкой с оптическим качеством 4.3 X (РУ) в режиме пропускания, которое также было измерено независимо (рис. 12а). Пластинка вводилась между интерферометром и ДОЭ, при этом искажений интерференционной картины практически не возникало (рис. 126). На рис. 12 пластинка занимает правую часть поля и ее граница отмечена стрелками.

а б

Рис. 12

Точность измерений поверхности сферического зеркала в такой схеме составила 0.02 А, (СКО), что гораздо лучше, чем оптическое качество вносимой пластинки. При использовании подложки с низким оптическим качеством поверхности искажения в результаты измерений также вноситься не будут.

Четвертая глава посвящена разработке дифракционных корректоров и имитаторов для контроля крупногабаритных зеркал астрономических телескопов. Диаметр таких зеркал может достигать нескольких метров, поэтому их производство - сложная и дорогостоящая процедура. В процессе производства форма поверхности зеркала контролируется несколькими независимыми методами для того, чтобы исключить возможность их неправильного измерения и изготовления.

Главное зеркало астрономического телескопа VISTA (для Южной Европейской Обсерватории ESO) с диаметром 4.1 м и /-параметром fl\ изготавливалось в ОАО ЛЗОС (г. Лыткарино). Для его контроля использовались линзовый и зеркальный корректоры волновых фронтов на основе классических элементов.

Для настройки и контроля этих корректоров нами был разработан ДОЭ-имитатор зеркала. Дифракционная структура ДОЭ-имитатора была рассчитана и изготовлена таким образом, что волна, форма которой соответствует расчетной форме зеркала, отражается от нее строго назад (рис. 13).

Рис. 13

Отличительной чертой дифракционного имитатора являлось то, что вокруг основной дифракционной структуры, формирующей измерительный асферический волновой фронт, в том же технологическом процессе

изготовления была записана контрольная дифракционная структура, которая создавала сферический волновой фронт в режиме отражения (рис. 14). По контрольной дифракционной структуре была определена правильность изготовления всего ДОЭ. Интерферометрическим методом было проконтролировано качество сферического волнового фронта (рис. 15), которое составило 0.027 X (СКО), а так же его фокусное расстояние, ошибка которого составила менее 0.07%.

Контрольная дифракционная структура

Основная дифракционная структура

Ч

Рис. 14 Рис. 15

Применение ДОЭ-имитатора позволило настроить оба корректора волнового фронта, после чего производство зеркала было успешно завершено.

Для контроля изготовления главного зеркала диаметром 2.4 м телескопа для EOS Technology (США, Австралия) были разработаны и изготовлены ДОЭ-корректор и ДОЭ-имитатор. Так как оба ДОЭ были созданы для контроля одного и того же зеркала, была проведена их взаимная проверка (рис. 16). Эксперимент показал отсутствие значительных искажений волнового фронта, что означало, что оба ДОЭ были изготовлены без ошибок (рис. 17).

Рис. 17 качества изготовления

ДОЭ-имитатор Рис. 16

Были также рассчитаны ДОЭ для контроля двухметрового зеркала телескопа для обсерватории Las Cumbres Observatory (США) и главного зеркала космического телескопа Спектр-УФ с диаметром 1.7 м. Аналогично ДОЭ для контроля зеркала телескопа VISTA правильность изготовления всех описанных ДОЭ была проконтролирована по дополнительной кольцевой дифракционной структуре, формирующей сферический волновой фронт.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Разработан и применен метод оптимизации лазерной записи границ дифракционных зон, не требующий значительных вычислительных ресурсов и позволяющий добиться увеличения дифракционной эффективности ДОЭ до 7% при размере зон до 5 мкм.

2. Показано, что метод деления ДОЭ на ячейки в виде кольцевых секторов и запись в них разных дифракционных структур позволяет сформировать несколько независимых волновых фронтов, обеспечивая снижение уровня дополнительных искажений по сравнению с комбинированными ДОЭ с ячейками в виде колец и полос.

3. Для комбинированного ДОЭ, создающего одновременно сферический и асферический волновые фронты, теоретически и экспериментально показано, что ошибки формирования асферического волнового фронта могут быть определены по интерферометрическому анализу сферического волнового фронта.

4. Предложен, изготовлен и исследован комбинированный амплитудно-фазовый ДОЭ для контроля асферических зеркал с большой числовой апертурой. Показано, что такой ДОЭ позволяет значительно уменьшить влияние дефектов подложки на результаты интерферометрических измерений за счет включения ДОЭ в общий ход лучей интерферометра Физо. Экспериментально получена точность измерения поверхности 0.02 X (СКО) при ошибке подложки 4.3 X (PV).

5. 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). Изготовленные ДОЭ были аттестованы по дополнительной осевой дифракционной структуре, формирующей сферический волновой фронт.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Shimansky R.V., Zone-boundary optimization for direct laser writing of continuous-relief diffractive optical elements // Appl. Opt., 2006, v. 45, pp. 53-62.

2. Насыров P.K., Полещук А.Г., Корольков В.П., С. Pruss, S. Reichelt., Комбинированные дифракционные оптические элементы для сертификации асферической оптики//Автометрия, 2005, №1. стр. 100-108.

3. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Asfour J.-M., Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces // Optics Express., 2009, v. 17, №7, pp. 5420-5425.

4. Ленкова Г.А., Корольков В.П., Коронкевич В.П., Насыров Р.К., Гутман А.С., Искаков И.А., Треушников В. М., Дифракционно-рефракционные интраокулярные линзы // Автометрия, 2008, №4, стр. 75-88.

5. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Cherkashin V.V., Dubov M.V., Mezentsev V.M, Bennion 1., Diffractive variable attenuator for femtosecond laser radiation control // Appl. Opt. 2009, v.48, pp. 708-711.

6. Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Shimansky R.V., Optimization of direct laser writing for continuous-relief diffractive optical elements // Сборник трудов конференции «Optical Sensing and Artificial Vision» (Санкт-Петербург, Россия, 18-21 октября 2004), стр. 65-70.

7. Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Shimansky R.V., Optimization for direct laser writing of continuous-relief diffractive optical elements // Proceedings of SPIE 6732, 67320P, 2007, pp. 53-62.

8. Корольков В.П., Полещук А.Г., Насыров P.K., Черкашин В.В., Лукин В.П., Ботыгина Н.Н., Емалеев О.Н., Криволуцкий Н.П., Лавринова Л.Н., Применение растра внеосевых дифракционных линз для низкоапертурного датчика Шэка-Хартмана // Сборник трудов 4-го международного форума "Голография ЭКСПО-2007" (25-27 сентября 2007 г., Москва), стр.150-153.

9. Korolkov V. P., Poleshchuk A. G., Nasyrov R.K., Cherkashin V.V., Lukin V.P., Botygina N. N., Emaleev O.N., Krivolutskiy N.P., Lavrionova L.N., Application of off-axis microlens array in low aperture Shack-Hartmann sensor // EOS Topical Meeting on Diffractive Optics, November 20 - 23, 2007, Barcelona, Spain., 2007, pp. 240-241.

10. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Cherkashin V.V., Dubov M.V., Mezentsev V.M., Bennoin I., Diffractive attenuator for femtosecond laser radiation control // EOS Topical Meeting on Diffractive Optics, November 20 - 23, 2007, Barcelona, Spain, 2007, pp. 36-37.

11. Dubov M.V., Nasyrov R.K., Nikogosyan D.N., Poleshchuk A.G., Mezentsev V.M., Bennion I., Micro-holographic methods for sub-micrometer grating fabrication in fused silica with UV femtosecond laser // Proceedings of SPIE, 2008, v.7100, p. 71000T.

12. Nasyrov R.K., Korolkov V.P., Poleshchuk A.G., Pruss C., Reichelt S. Methods of combining computer generated holograms for simultaneous generating several given wavefronts // Сборник трудов конференции «Optical Sensing and Artificial Vision» (Санкт-Петербург, 18-21 октября 2004), стр. 91-100.

13. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Matochkin A.E., Asfour J.-M., Transformation and splitting of laser beam by multiplexed computer-generated hologram for interferometric testing // Сборник трудов конференции «Optical Sensing and Artificial Vision» (Санкт-Петербург, 16-20 октября 2006). стр. 41-44.

14. Pindyurin V.F., Goldenberg B.G., Petrova E.V., Ancharova U.V., Eliseev V.S., Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Dynamic X-ray lithography for blazed diffractive optics fabrication // Proceedings of the SPIE, 2008, v. 7102, pp. 710208-710208-11.

15. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., J.- M. Asfour, Interferometer with combined computer generated hologram for high-precision testing of steep aspherical surfaces // EOS Topical Meeting on Diffractive Optics, November 20 - 23, 2007, Barcelona, Spain., 2007, pp. 103-104.

16. Poleshchuk A.G., Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Asfour J.-M., Computer generated holograms: fabrication and application for precision optical testing // Proc. SPIE, 2008, v. 7102, pp. 710206-710206-9.

17. Abdulkadyrov M.A., Patrikeev V.E., Semenov A.P., Sharov Y.A., Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Matochkin A.E., Polishing and certification of VISTA telescope 4-m f/1 primary mirror // Optical fabrication and testing, Rochester, New York 2006, pp. 146-150.

18. Абдулкадыров M.A., Патрикеев А.П., Белоусов С.П., Игнатов А.Н., Патрикеев В.Е., Придня В.В., Полянщиков А.В., Семенов А.П., Шаров Ю.А., Полещук А.Г., Насыров Р.К., Маточкин А.Е., Eli Atad-Etted-gui, Egan I., Bennet R. J., Craig S. Изготовление главного Ml и вторичного M2 зеркал для проекта телескопа VISTA // 7-я Международная конференция "Прикладная оптика -2006" (Санкт-Петербург, Россия, 6-20 октября 2006). Сборник трудов, т. 2 "Оптические материалы и технологии", 2006. стр. 165-170.

19. Abdulkadyrov М.А., Patrikeev А.Р., Belousov S.P., Semenov A.P., Patrikeev V.E., Ignatov A.N., Polyanchikov A.V., Pridnya V.V., Sharov Y.A., Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Ml primary mirror manufacturing for VISTA project // Proc. SPIE, v. 7018, 2008, pp. 701804.

20. Полещук А.Г., Насыров P.K., Маточкин А.Г., Абдулкадыров М.А., Патрикеев В.Е., Семенов А.П., Шаров Ю.А., Изготовление и контроль главного 4х метрового зеркала для проекта телескопа VISTA // Всероссийская конференция «солнечная корона и физика плазмы», 1-3 августа, Новосибирск, 2008, стр. 58.

НАСЫРОВ Руслан Камильевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 19.03.2009

Формат 60x84 1/16 Объем 1,1 п.л. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ №18 Типография Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Введение.

Глава I. Оптимизация лазерной записи границ дифракционных зон для увеличения дифракционной эффективности ДОЭ.

1.1. Методы изготовления дифракционных структур.

1.2. Метод прямой лазерной записи.

1.3. Возникновение эффекта обратного ската при прямой лазерной записи и связанное с ним падение дифракционной эффективности.

1.4. Оптимизация шага записи.

1.5. Использование более высокого порядка дифракции.

1.6. Увеличение угла блеска.

1.7. Попиксельная оптимизация данных для записи.

1.8. Оптимизация границ дифракционных зон.

1.9. Экспериментальная проверка метода оптимизации границ зон.

1.10. Выводы.

Глава II. Разработка и исследование комбинированного ДОЭ для контроля правильности изготовления дифракционной структуры, создающей асферический волновой фронт.

2.1. Комбинирование двух волновых фронтов методом деления на ячейки.

2.2. Моделирование ошибок волнового фронта, возникающих при делении ДОЭ на ячейки.

2.3. Экспериментальная проверка комбинированных ДОЭ.

2.4. Выводы.

Глава III. Метод исключения оптических неоднородностей подложки ДОЭ из результатов интерферометрического контроля асферической поверхности.

3.1. Дифракционная эффективность комбинированного ДОЭ.

3.2. Изготовление амплитудно-фазовой дифракционной структуры комбинированного ДОЭ.

3.3. Экспериментальная проверка метода исключения влияния подложки из результатов интерферометрических измерений.

3.4. Выводы.

Глава IV. Разработка и экспериментальное исследование интерферометрических методов контроля крупногабаритных асферических зеркал астрономических телескопов при помощи ДОЭ.

4.1. Расчет дифракционной структуры ДОЭ для контроля асферической оптики.

4.2. Аттестация ДОЭ по кольцевой дифракционной структуре, создающей сферический волновой фронт.

4.3. ДОЭ-имитатор для проверки главного зеркала астрономического телескопа

VISTA.

4.4. Разработка ДОЭ-корректора и ДОЭ-имитатора для контроля главного зеркала телескопа EOS Technology.

4.5. Разработка ДОЭ-имитатора для контроля главного зеркала телескопа обсерватории Las Cumbres Observatory.

4.6. Разработка ДОЭ-корректора для контроля главного зеркала космического телескопа Спектр-УФ.

4.7. Выводы.

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: 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>О сплюснутый эллипс, -1<£<0 вытянутый эллипс, К — 0 сфера, К = ~1 парабола, /С <-1 гипербола. Характерный вид асферической поверхности показан на Рис. 1. 2

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).

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 Л/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.

Эталонная поверхность -«Ь

Опорная Объектная волна волна

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. 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.

Объектный сферический волновой фронт а)

Асферическая поверхность б)

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 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 [б].

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

Парабола

Плоское зеркало Рис. 6. Контроль поверхности параболической формы в асферическую, форма которой соответствует расчетной форме контролируемой поверхности (Рис. 7а). поверхность ^gj

Рис. 7. Схема интерферометр и ческо го контроля качества асферической поверхности при помощи корректора волнового фронта (а), характерная имтерферограмма 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 it *

12 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:

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 неоднородностей 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 JI30C (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;

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 П1 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.

4.7. Выводы.

Описан метод расчета и методы косвенного контроля ДОЭ для тестирования крупногабаритных зеркал для астрономических телескопов. Описано практическое применение этих методов. Разработаны, изготовлены и внедрены на практике дифракционные корректоры и 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). Предложен и внедрен метод контроля правильности изготовления ДОЭ по контрольной дифракционной структуре, формирующей сферический волновой фронт в режиме отражения, которая формируется вне зоны основной дифракционной структуры, формирующей измерительный волновой фронт, в одном и том же технологическом процессе.

Заключение.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Разработан и применен метод оптимизации лазерной записи границ дифракционных зон, не требующий значительных вычислительных ресурсов и позволяющий добиться увеличения дифракционной эффективности ДОЭ до 7% при размере зон до 5 мкм.

2. Показано, что метод деления ДОЭ на ячейки в виде кольцевых секторов и запись в них разных дифракционных структур позволяет сформировать несколько независимых волновых фронтов, обеспечивая снижение уровня дополнительных искажений по сравнению с комбинированными ДОЭ с ячейками в виде колец и полос.

3. Для комбинированного ДОЭ, создающего одновременно сферический и асферический волновые фронты, теоретически и экспериментально показано, что ошибки формирования асферического волнового фронта могут быть определены по интерферометрическому анализу сферического волнового фронта.

4. Предложен, изготовлен и исследован комбинированный амплитудно-фазовый ДОЭ для контроля асферических зеркал с большой числовой апертурой. Показано, что такой ДОЭ позволяет значительно уменьшить влияние дефектов подложки на результаты интерферометрических измерений за счет включения ДОЭ в общий ход лучей интерферометра Физо. Экспериментально получена точность измерения поверхности 0.02 X (СКО) при ошибке подложки 4.3 X (PV).

5. 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). Изготовленные ДОЭ были аттестованы по дополнительной осевой дифракционной структуре, формирующей сферический волновой фронт.

1. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. М: Машиностроение, 1976

2. Ландсберг Г.С. Оптика, М., 1976

3. Скоков И.В. Оптические интерферометры, М.: Машиностроение, 1969.

4. Shanyong Chen, Shengyi Li, Yifnn Dai, and Ziwen Zheng, "Testing of large optical surfaces with subaperture stitching," Appl. Opt. 2007, v. 46, pp. 3504-3509

5. Малакара Д. Оптический производственный контроль//М.: Машиностроение, 1985.

6. Слюсарев Г.Г., расчет оптических систем // Л.: Машиностроение, 1975.

7. Offner A., A null corrector for paraboloidal mirrors, Appl. Opt. 1963 v.2, pp.153-156.

8. Allen L., Angel J.R., Mongus J. etc. "The Hubble Space Telescope optical system faile report" NASA report (NASA, Washington, D.C. November 1990)

9. Lohmann A.W., Paris D.P., Binary Fraunhofer Holograms, Generated by Computer//Appl. Opt., 1967, v.6, pp. 1739-1748.

10. Ларионов Н.П., Лукин А.В., Рафиков P.А. Имитатор главного зеркала на основе синтезированной голограммы//ОМП, 1980, №1, с. 39-40.

11. Методы компьютерной оптики // под ред. Сойфера. М.: Физматлит, 2000

12. Turunen J., Wyrovski F. // WILEY-VCH VERLAG GMBH, Germany, 1997.

13. Бобров C.T., Грейсух Г.И., Туркевич Ю.Г. Оптика дифракционных элементов и систем. //Л.: Машиностроение, 1986

14. Wyant J. С., Bennett V.P., Using Computer Generated Holograms to Test Aspheric \Vavefronts//Appl. Opt., 1972, v.l 1, pp. 2833-2839.

15. Ган M.A., Моделирование на ЭВМ голографической коррекции аберраций оптических систем/Юптика и спектроскопия, 1976, т.41, №4.

16. Лукин А.В., Мустафин К.С., Голографические методы контроля асферических поверхностей//ОМП, 1979, № 4. с. 53.

17. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Cherkashin V.V., Dubov M.V., Mezentsev V.M, Bennion I., Diffractive variable attenuator for femtosecond laser radiation control// Appl. Opt. 2009, v.48, pp. 708-711.

18. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Cherkashin V.V., Dubov M.V., Mezentsev V.M., Bennoin I., Diffractive attenuator for femtosecond laser radiation control// EOS Topical Meeting on Diffractive Optics, November 20 23, 2007, Barcelona, Spain, 2007, pp. 36-37.

19. Ленкова Г.А., Корольков В.П., Коронкевич В.П., Насыров Р.К., Гутман А.С., Искаков И.А., Треушников В. М., Дифракционно-рефракционные интраокулярные линзы//Автометрия, 2008, №4, стр. 75-88.

20. Герасимов Ф.М. Изготовление и исследование дифракционных решеток/ЮНТИ ГОИ, Л. 1967.

21. Sweenley D.W., Sommagreen G., Harmonic diffractive lenses//Appl. Opt., 1995, v.34, pp. 2469-2475.

22. Aoyama S., Hoire N. and Yamashita, T. "Micro Fresnel lens fabrication by electron-beam lithography" Proc. SP1E 1211, 1990, pp. 175-183

23. Bengtsson J., Direct inclusion of the proximity effect in the calculation of kinoforms//Appl. Opt. v. 33, pp. 4993-4996

24. Brunger W., Kley E.B., Shabel В., Stollberg I, Zierock M., Plontke R., Low exposure lithography; Energy control and variable energy exposure// Microelectron Eng. 1995, pp. 136138.

25. Pindyurin V.F., Goldenberg B.G., Petrova E.V., Ancharova U.V., Eliseev V.S., Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Dynamic X-ray lithography for blazed diffractive optics fabrication// Proceedings of the SP1E, 2008, v. 7102, pp. 710208-710208-11.

26. Денискж. Ю.Н. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения//Оптика и спектроскопия, 1963, т. 15, №4.

27. Dubov M.V., Nasyrov R. К., Nikogosyan D. N., Poleshchuk A. G., Mezentsev V.M., Bennion I., Micro-holographic methods for sub-micrometer grating fabrication in fused silica with UV femtosecond laser// Proceedings of SPIE, 2008, v.7100, p. 71000T.

28. Левин В.Я., Пен Е.Ф. Солдатенков И.С. Соскин С.И., Изготовление и исследование фазовых масок для устройств хранения и обработки информации//ОМП, 1978,т.З, с.43

29. Faklis D., Bowen J.P. and Morris G.M. Continious phase diffractive optics using laser pattern generation// SPIE Holography Newsletter 3(2), 1993

30. Коронкевич В.П, Корольков В.П., Полещук А.Г., Харисов А.А., Черкашин В.В. Синтез дифракционных оптических элементов в полярной системе координат анализ погрешностей изготовления и их измерение. // Автометрия, 1997, № 6, с.42-56

31. А.Г. Полещук, Б. Медникаров, Е.Г. Чурин Применение пленок AsS для изготовления рельефно-фазовых дифракционных элементов. Автометрия, 1993, №1, с.87-93.

32. Вейко В.П., Либенсон М.Н. Лазерная обработка//Л. Лениздат, 1973.

33. Cherkashin V.V., Churin E.G., Korolkov V.P., Koronkevich V.P., Kharissov A.A., Poleshchuk A.G., Burge J.H., Processing parameters optimisation for thermochemical writing of DOEs on chromium films//Proc. SPIE,1997, v. 3010, pp. 168-179.

34. Вейко В.П., Тучина E.A., Яковлев Е.Б. О разрешающей способности лазерной литографии на тонких металлических пленках // квантовая электроника, 1984,том. 11, №4, с. 661-665.

35. Kuittinen M., Herzig H.P., Ehbets P., Improvements in diffraction efficiency of gratings and microlenses with continuous relief structures, Opt. Commun., 1995, v.120, pp. 230-234.

36. Ekberg M., NikolaefFF., Larson M., Hard S., Proximity-compensated blazed transmission grating manufacture with direct-writing, electron-beam lithography, Appl. Opt. 33, 103-107 (1994).

37. C.A. Mack, "New kinetic model for resist dissolution", Journal of the Electrochemical Society, 139, No 4, L35 (1992).

38. W.V. Spiegel, S. Stankovic, M. Budach, D. Dias, "Fabrication, optimization and measurement of microstructures for optical applications," Annual Report 2000/01, Institut fuer Angewandte Physik, Microoptical Systems, pp. 69-70.

39. F.H. Dill, Hornberger, P.S. Hauge, and J.M. Shaw, "Characterization of positive photoresist", IEEE Transactions on Electronics Devices, ED-22(7), pp. 445-452 (1975).

40. Hessler Т., Rossi M., Kunz R.E., Gale M.T., Analysis and optimization of fabrication of continuous-relief diffractive optical elements// Appl. Opt., 1998, v.37, pp. 4069-4079.

41. Spiegel W.V,, Stankovic S., Budach M., Dias D., Fabrication, optimization and measurement of microstructures for optical applications, Annual Report 2000/01, Institut fuer Angewandte Physik, Microoptical Systems, pp. 69-70.

42. Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Shimansky R.V., Zone boundary optimization for direct laser writing of continuous-relief diffractive optical elements, Appl. Opt., 2005, 45(1), pp. 53-62.

43. Gale M.T., Knop K., Fabrication of fine lens array by lasr beam writing//Industrial Applications of Laser Technology, W.F.Fagan, ed., Proc. Soc. Photo-Opt. Instum. Eng, 1983, v. 398, pp. 347-353.

44. Haruna M., Takahashi M., Wakahayashi K., Nishihara H., Laser beam lithographed micro-Fresnel lenses//Appl. Opt., 1990, v. 29, 5120-5126.

45. Korolkov V. P., Nasyrov R.K., Shimansky R.V., Zone-boundary optimization for direct laser writing of continuous-relief diffractive optical elements//Appl. Opt., 2006, v. 45, pp. 53-62.

46. C. Pruss, S. Reichelt, H.J. Tiziani, V.P. Korolkov, Metrological features of diffractive high-efficiency objectives for laser interferometry," Proc. Soc. Photo-Opt. Instum. Eng, 2002, v. 4900, pp. 873-884.

47. Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Shimansky R.V., Optimization for direct laser writing of continuous-relief diffractive optical elements//Proceedings of SPIE 6732, 67320P, 2007, pp. 5362.

48. Fritz, Bernard S. Absolute calibration of an Optical Flat // Opt. Eng., 1984, V. 23, p.179.

49. Truax, Bruce E. Absolute interferometric testing of spherieal surfaces // J. Sci. Instrum., 1988, v. 34, p. 399.

50. Reichelt S., Tiziani H.J. Twin-CGH for absolute calibration in interferometry// OptCommun., 2003, v. 220, p.23.

51. Poleshchuk A. G., Bulge J. H., Churin E. G. Design and application of CGHs for simultaneous generating several specified wavefronts//Diffractive Optics, Jena, Germany, 1999, v. 22. pp. 155-156.

52. Poleshchuk A.G., Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Asfour J.-M., Computer generated holograms: fabrication and application for precision optical testing// Proc. SPIE, 2008, v. 7102, pp. 710206-710206-9.

53. Насыров Р.К., Полещук А.Г., Корольков В.П., С. Pruss, S. Reichelt., Комбинированные дифракционные оптические элементы для сертификации асферической оптики//Автометрия, 2005, №1. стр. 100-108.

54. P. Zhou, Burge J. Н., Fabrication error analysis and experimental demonstration for computer-generated holograms // Appl. Opt., 2007, v. 46, pp. 657-663.

55. J.-M. Asfour and A. G. Poleshchuk, "Asphere testing with a Fizeau interferometer based on a combined computer-generated hologram," J. Opt. Soc. Am. A 23, 172-178 (2006).

56. Poleshchuk A. G., Asfour J. M., CGHs as Fizeau reference for interferometric null testing, Trends in Optics and Photonics (TOPS). (OSA Topical Meeting "DOMO-02".) Tucson, USA, 2002, v.75. pp. 41-42.

57. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Asfour J.-M., Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces//Optics Express., 2009, v. 17, №7, pp. 5420-5425.

58. Burge J.H. Certification of null correctors for primary mirrors//Proc. SPIE 1994, pp. 248259.

59. Kuttunen M., Herzig H. P., Understanding difractive optic design in the scalar domain// J. Opt. Soc. Am. A, 1995, v. 12, pp. 2145-2158.

60. Malacara D., and Malacara Z., handbook of lens design. New York: Marcel Dekker

61. Коронкевич В.П., Корольков В.П., Полещук А.Г. и др., Синтез дифракционных оптических элементов в полярной системе координат: погрешности изготовления и их измерение//Автометрия, 1997, № 6, с. 42-56.

62. Abdulkadyrov М.А., Patrikeev V.E., Semenov А.P., Sharov Y.A., Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Matochkin A.E., Polishing and certification of VISTA telescope 4-m f/I primary mirror//Optical fabrication and testing, Rochester, New York 2006, pp. 146-150.

63. Taehee Kim, James Н. Burge, Yunwoo Lee, and Sungsik Kim, "Null Test for a Highly Paraboloidal Mirror," Appl. Opt., 2004, v. 43, pp. 3614-3618.