Способ записи метрологических голографических решеток

 

Изобретение относится к прецизи онной измерительной технике и позволяет повысить точность записи и уве8 личить размеры записываемой решетки. Освещением вспомогательной решетки 16 одновременно двумя источниками 1 и 6 когерентного излучения с длинами волн соответственно h и получают за фотоносителем 18 систему прямолинейных муаровых полос. Измерением фотодатчиками 20 -24 разности фаз в картине муаровых полос определяют ошибки записи метрологической решетки. Коррекция этой ошибки осуществляется - изменением времени задержки сигналов управления модулирующим элементом источника 1 относительно среднего периода муаровых полос. Изменяют угол наклона вспомогательной решетки 16 по отношению к штрихам записываемой на фотоноситель 18 решетки для корректировки ошибки, вызванной дефектами направляющих,2 ил. ( СО 1чЭ -J о Од j

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК !

А1 (SD 4 С 02 В 5/18

i+i " Е;с „1 >р: . -, (1

qr, 7 сР

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4013874/24-10 (22) 14.01.86 (46) 30.07.87. Бюл. N- 28 (71) Ленинградский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова (72) В.П. Горелик, С.Н. Коваленко и Б.Г. Турухано (53) 535.853.31(088.8) (56) Оптика и спектроскопия, 1971, т. 30, вып. 3, с. 550.

Hutley M.Ñ. Diffraction gratings.

Ney York. Academic Press, 1982, р. 302-304. (54) СПОСОБ ЗАПИСИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ

ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ РЕШЕТОК (57) Изобретение относится к прецизионной измерительной технике и позво— ляет повысить точность записи и уве„„SU„„1327037 личить размеры записываемой решетки.

Освещением вспомогательной решетки

16 одновременно двумя источниками 1 и 6 когерентного излучения с длинами волн соответственно Д и Л получают

1 за фотоносителем 18 систему прямолинейных муаровых полос. Измерением фо— тодатчиками 20 — 24 разности фаз в картине муаровых полос определяют ошибки записи метрологической решетки.

Коррекция этой ошибки осуществляется изменением времени задержки сигналов управления модулирующим элементом источника I относительно среднего периода муаровых полос. Изменяют угол наклона вспомогательной решетки 16 по отношению к штрихам записываемой на фотоноситель 18 решетки для корректировки ошибки, вызванной дефектами направляющих,2 ил. С:

1 1327037

Изобретение относится к прецизионной измерительной технике и может быть использовано при создании крупноразмерных высокоточных метрологичес5 ких дифракционных решеток.

Цель изобретения — повышение точности и увеличение размеров записываемой решетки.

На фиг. 1 изображена оптико-элект- 1 ронная схема устройства записи метрологических голографических решеток в реальном времени; на фиг. 2 — схема размещения фотодатчиков в поле муаровых полос. 15

Оптико-электронное устройство для реализации предлагаемого способа состоит (фиг. 1) из источника 1 когерентного излучения длиной волны Д„ и связанных с ним модулирующего элемен-,0 та 2, первого коллимирующего устройства, состояЩего из линз 3 и 4, и полу,прозрачного зеркала 5; непрерывного источника 6 когерентного излучения ддиной волны 2 и связанных с ним полупрозрачного разделительного зеркала 7, отклоняющих зеркал 8 и 9, второго коллимирующего устройства, состоящего из линз 10 и 11, модулирующего элемента 12, поворачивающего дд зеркала 13 и третьего коллимирующего устройства, состоящего из линз 14 и

15 вспомогательной решетки 16 и связанного с ней пьезокерамического элемента (7; фотоносителя 18, работающего в реальном времени и чувствительного к длине волны 3„, и жестко связанного с ним обычного фотоносителя 19, чувствительного к длине фотодатчиков 20-24, электронного фа- 40 зометрического устройства 25, вырабатывающего сигналы управления модулирующиии элементами; и электронного фазометрического устройства 26, вырабатывающего сигналы, управляющие пье- 45 зокерамическим элементом.

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительно записанную решетку, жестко связанную в линию с неэкспонированным фотоносителем 18, непрерывно перемещают по направляющим относительно фиксированной индикаторной решетки, систему из этих двух решеток освещают непрерывным когерентным HC точником 6.света, а образующуюся на выходе решеток систему бегущих муаровых полос преобразуют фотодатчиками

20-24 в последовательность электрических сигналов, которые управляют модулирующим элементом источника 1, освещающего фиксированную экспонируемую решетку, последовательно экспонируя ее на перемещающийся фотоноситель 18. При этом в качестве фотоносителя 18 используют фотоматериал, работающий в реальном времени, на который предварительно экспонируют с помощью когерентного источника 1 длиной волны 3„ ограниченный участок

I фиксированной вспомогательной решетки 16, совмещающей функции индикаторной и экспонируемой решеток, предварительно записанную и вспомогательную решетки дополнительно освещают непрерывным когерентным источником 6 света длиной волны 3, позволяющим пропроизводить недеструктивное считывание в реальном времени системы бегущих муаровых полос, и осуществляют путем измерения разности фаз фотодатчиками 20-24 в картине этих полос определение ошибки записи метрологической решетки и ее коррекцию в процессе записи путем изменения времени задержки сигналов управления модулирующим элементом 2 источника 1 с )I относительно среднего периода муаровых полос и ршибки, вызванной дефектами направляющих, и ее коррекцию в процессе записи путем изменения угла наклона вспомогательной решетки 16 по отношению к штрихам решетки, записываемой на фотоноситель 18, Сущность. способа состоит в следующем.

Вспомогательную решетку 1.6 освещают одновременно двумя пучками светасиним (1„) и красным (Л ) . При этом синий (a„) копирует в реальном времени решетку на фотоноситель 18, а. красный (3>) считывает записанную на фотоносителе решетку непосредственно во время копирования. За фотоносителем в красном свете образуется система. прямолинейных муаровых полос.

Если переместить фотоноситель 18 точно на период решетки 16 и снова осветить ее синим светом (P,), то восстановится исходная картин= муаровых полос, а длина скопированной решетки увеличится на длину периода. Равномерно перемещая фотоноситель 18 и периодически открывая источник 1 синего света (3,) только при смещении на период, можно последовательно перезаписать ограниченный участок решетки

37 одинаковой интенсивности, перпендикулярные штрихам решетки (параллельные направлению движения). Поэтому если расположить фотодатчики 21-24 в линию и перпендикулярно штрихам вспомогательной решетки (фиг. 2), то разность фаз между синусоидальными сигналами этих фотодатчиков будет равна

О. Сигналы с фотодатчиков 21-24, поступая в электронное фазометрическое устройство 25, вырабатывающее сигналы управления мадулирующим элементом (оптическим затвором) 2, открывают затвор только в момент прохождения через фотодатчики муаровой полосы, т.е. каждый раз точно при смещении на период. Таким образом, использование стробаскопическага эффекта позволяет записывать в реальном времени на перемещающийся фатоноситель 18 протяженную метрологическую решетку путем последовательного и многократного экспонирования ограниченного участка вспомогательной решетки 16. При этом вначале считывается и одновременно перезаписывается предварительно записанный участок. В дальнейшем осуществляется считывание и перезапись ранее записанных участков.

На точность записываемой метрологической решетки влияют дефекты, присущие механической части устройства и приводящие к изменению расстояния и взаимного расположения вспомогательпой и записываемой решеток, а также погрешность электронного тракта, вызывающие появление местных и прогрессивных оиыбак. Наличие ошибок записываемой решетки приводит к искривлению муаровых палас (фиг. 2),т.е. к отклонению их ат прямолинейных. При этом величина локальной ошибки Л (ашибки в данной точке) определяется отклонением центра искривлечной полосы ат средней прямолинейной в данной тачке. В случае бегущих муаровых полос наиболее точное (с точностью порядка 27/100) определение локальной ршибки об спечивается фазовыми измерениями. В конкретном примере электронным фазометрическим устройством

23 измеряются разности фаз между фотадатчиками 21-22 (ДФ, > >3 ), 23-24 (ЛФz,,), вычисляется средняя разность фаз

16 на всю длину фотоносителя. Pi случае появления ошибки копирования, связанной с изменением периода, муаровые

-полосы изменяют сваю форму, С помощью

5 фазометрическага устройства 25 определяют величину этих изменений, а следовательно, и величину изменения периода и открывают источник 1 синего света с задержкой, равной измерен- 10 ной величине. Эта позволяет скорректировать в реальном времени возникающие ошибки периода. На первом этапе способа пучок коллимированнога света длиной волны it проходя через 15 вспомогательную решетку 16 пад углом

Брегга, записывает ее в реальном времени на непадвижньгй фотаноситель 18, чувствительный к этой длине волны.

Запись в реальном времени позволяет получить точную копию ограниченного участка вспомогательной решетки 16 на фотанасителе 18 непосредственно в процессе экспозиции без дополнительной последующей химической обработки. Не- 25 модулированный пучок света длиной волны, сколлимираванный линзовой системой 10 — 11, направляется под углом Брегга через вспомогательную решетку 16 на предварительно записан- 30 ный участок метрологической решетки.

Длину волны 1 выбирают такой, чтобы фатонаситель, работающий в реальном времени, был не чувствительным к ней.

Эта позволяет производить недеструктинное считывание предварительно записанной решетки. Комбинация вспомогательной и предварительно записанной решетки, освещенная когерентным светом ,с длиной волны 3>,образует картину муаровых полос, в поле которых размещены фотадатчики 20-24. На втором этапе фотонасители 18 и 19 перемещаются с постоянной скоростью относительно фиксированной вспомогательной решет45 ки 16 в направлении, перпендикулярном ее штрихам. Перемещение фатанасителя 18 приводит к появлению картины бегущих муаровых полос, причем перемещение муаровой полосы на период со- 5> ответствует перемещению на периодпредварительно записанной решетки.

Бегущие муаровые полосы преобразуют— ся фатадатчиками в электрические сигналы синусаидальной формы. В случае, когда вспомогательная 16 и предвари тельно записанная на фотоносителе 18 решетки идеально равномерные, муаровые полосы представляют собой полосы

I 1 Ф2 -и 1 +zz-z l

1() Дф

2 2<-zz. 2

"..оответствующая средней прямолинейной муаровой полосе, и определяется величина локальной ошибки в точке фотоприемника 23

13270::37 б мой решеток и, как следствие, к изменению пространственного периода муаровых полос

П лг (Величина ДФ, характеризует интервал времени задержки между временем прохождения через линейку фотодатчиков 21 -24 средней прямолинейной полосы, соответствующей идеально равномерной решетке, и временем прохожцения реальной искривленной полосы с локальной ошибкой д через фотоприемник 23, 1

Измеренная таким способом величина

Лф„„. с обратным знаком подается на модулирующий элемент 2, изменяя вре-. мя его запуска относительно центра средней прямолинейной полосы и комt пенсируя локализованную и измеренную ошибку записи.

Предлагаемый способ позволяет ло- кализовать,измерить и B реальном вре ) мени скорректировать ошибки, возни-кающие в процессе записи решетки, обеспечивая полное выполнение принципа стабилизации периода решетки и позволяя стабилизировать период с тоЧностью до величины погрешности о . 1 ределения локальной ошибки.

Так,при использовании решетки с периодом d = 1 мкм, расстоянии между фотодатчиками 1 = 10 мм и среднеквадратической ошибке фазовых изме— рений р = 27/ /100 ошибка стабилизации составит д = 0,01 мкм на длине

40 мм или д = 0,05 мкм ня длине 1 м.

Точность фазовых измерений практически полностью не зависит от влияния амплитудных факторов (изменения интенсивности источников излучения,,измеьения дифракционной эффективност. записываемой решетки, рассеянного света и т.д.), а также скорости пер..: мещения муаровых полос, т.е. от скорости перемещения решетки.

Кроме того, на точность записыва-емой решетки влияют дефекты направля ющих, приводящие к изменению углов наклона записываемых штрихов по длине, т.е. к нарушению взаимной параллельности штрихов, приводящей при ис-. пользовании такой решетки в датчиках линейных перемещений к появгению пог-- 55 решности Аббе. Дефекты направляющих приводят к изменению углов наклона штрихов вспомогательной и записываеде D — период муаровых полос;

d — период решеток; — угол между штрихами решеток.

Стабилизация периода муаровых полос, а следовательно,и сохранение взаимной параллельности штрихов записываемой решетки в предлагаемом способе осуществляется путем стабилизации разности фаз между фотодатчиками

20-21, расположенными строго вдоль штрихов решетки. Изменение угла при-. водит только к изменению разности фаз дф р „, сохраняя неизменными разности фаз ДФ „,, ЛФ,,; д ф, Кривизна муаровых полос не оказывает влияния на ДФ>р, в том случае, если фотодатчики расположены строго . вдоль штриха решетки, так как период муаровых полос не меняется вдоль направления штрихов решетки. В конкретном примеРе Разность фаз Д Ф р,,„ измеРЯетсЯ электронным фазометрическим устройством 26,которое::вырабатывает сигналы управления пьезокерамическим элементом 17,.изменяющим угол наклона штрихов вспомогательной решетки 1б относительно записываемой путем поворота первой. Таким образом, введение второго контура стабилизации фотодатчиков 20-?1, фазометрического устройства 2б и пьезокерамического элемента

17 позволяет стабилизировать угол наклона между штрихами вспомогательной и записываемой решеток и сделать

его некритичным к влиянию дефектов направляющих.

Предлагаемый способ позволяет с подошью двух контуров стабилизации осуществить запись на фотоноситель, работающий в реальном времени протяженной высокоточной решетки. Однако пригодные для этой цели фотоматериалы обладают сравнительно низкой дифракционной эффективностью (9—

107). С целью повышения дифракционной эффективности в конкретном нримере используют жестко скрепленный с фотоносителем -18, работающим в реальном времени, .обычный фотоноситель

19,, позволяющий достичь на длине волны h высокой дифракционной эффективности ($ 807o). При этом метрологи1327037 ческая решетка записывается параллельно и одновременно и на обычный фотоноситель 19 с помощью источника

6 излучения длиной волны ., модулирующего элемента 12, подключенного параллельно к модулирующему элементу

2, коллимирующей системы 14 — 15, формирующей параллельный пучок модулирующего света, копирующего участок вспомогательной решетки 16 на перемещающийся фотоноситель 19.

Предлагаемый способ был реализован в устройстве, состоящем из подложки с материалом, работающим в ре- 15 альном времени, в качестве которого использовали диазосоединение ДП-15, жестко скрепленной с подложкой из обычного фотоносителя ПЭ-2. Данное диазосоединение обладает спектраль- 20 ной чувствительностью к коротковолновой части спектра 4 (0,5 мкм и практически полностью нечувствительно к длинноволновой 0,6 мкм.В качестве источника когерентного излуче- 25 ния, осуществляющего запись в реальном времени, использовали гелийкадмиевый лазер ЛГ-61 с длиной волны

= 0,44 мкм, а в качестве источника недеструктивного считывания — ге- 30 лий-неоновый лазер ЛГ-38 с длиной волны Д = 0,63 мкм. В качестве вспомогательной решетки использовали голографическую решетку периодом d = — 1 мкм и длиной L = 40, к торцу

„35 которой приклеивали пьезокерамический элемент ЦТС-23, позволяющий поворачивать вспомогательную решетку на угол с = «+1 . Пучки лазерного света модулировали механически с помощью 40 высокочастотных реле РЭС-49, позволяющих работать на частотах до 200 Гц.

На первом этапе записи коллимированный пучок света длиной волны „ =

0 44 мкм, проходя через вспомогательную решетку под углом Брегга

6„ = 12,7, копировал ее на диазосоединение. Одновременно коллимированный пучок света длиной волны

0,63 мкм, проходя под углом Брегга

8 = 18,4 через вспомогательную решетку и решетку, записываемую в реальном времени на диазосоединение, образовывал систему муаровых полос, в поле которых размещали 5 фотодио55 дов ФВ-27к, четыре из которых располагали в линию, перпендикулярную . штрихам решетки, а пятый - параллельно штрихам решетки. Расстояние между всеми фотодиодами 1 = 10 мм. На втором этапе записи подложки с фотоноси- . телями перемещали с постоянной скоростью V = 50 мкм/с относительно .. фиксированной вспомогательной решетки, что приводило к перемещению муаровых полос. Сигналы с фотодиодов поступали в электронные фазометрические устройства, включающие коммута |тор, селективные усилители У 2-6, фазометр Ф «2-16, устройство формирования импульсов запуска реле и высоковольтный усилитель напряжения, управляющий:пьезокерамикой. Одновременно с записью решеткй на диазосоединение DII-15 вели параллельную запись на фотопластинку ПЭ-2. B результате была записана метрологическая голографическая решетка длиной L = 80MM.

Полная ошибка Q c 0«5 мкм, дифракционная эффективность q ЗОБ.

Формула изобретения

Способ записи метрологических голографических решеток, заключающийся в том, что предварительно записывают решетку, жестко связанную в линию с неэкспонированным фотоносителем, непрерывно перемещают их по направляющим относительно фиксированной индикаторной решетки, систему из этих двух решеток освещают непрерывным когерентным источником света, а образующуюся на выходе решеток систему бегущих муаровых полос преобразуют по крайней мере одним фотодатчиком в последовательность электрических сигналов, которые управляют модулирующим элементом второго когерентного источника, освещающего фиксированную экспонируемую решетку, последовательно экспонируя ее на перемещающийся фотоноситель, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и увеличения размеров записываемой решетки, в качестве фотоносителя используют фотоматериал, работающий в реальном времени, предварительную запись решетки на него осуществляют с помощью когерентного источника с мо-. дулирующим элементом и с длиной волны Ь„ путем экспонирования ограниченного участка фиксированной вспомогательной решетки, совмещающей функции индикаторной и экспонируемой решеток, предварительно записанную и вспомогательную решетки освещают неСоставитель В. Кравченко

Техред Л.Сердюкова Корректор В. Гирняк

Редактор А. Лежнина

Заказ 3385/42 Тираж 521

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно †полиграфическ предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

9 1327037 прерывным когерентным источником све- мени задержки сигналов управления та длиной волны Я, позволяющей про- модулирующим элементом источника с,. изводить недеструктивное считывание относительно среднего периода муаросистемы бегущих муаровых полос, и вых полос и ошибки, вызванной дефекб осуществляют путем измерения разности тами направляющих, и ее коррекцию фаз фотодатчиками в картине этих по- в процессе записи путем изменения углос определение ошибки записи метро- ла наклона вспомогательной решетки логической решетки и ее коррекцию в по отношению к штрихам решетки, за.процессе записи путем изменения вре- -.-1O писываемой на .фотоноситель.