Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционных элементов (варианты) Российский патент 2017 года по МПК G01B11/30 G01N21/47 G02B5/18 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для контроля шероховатостей и неровностей отражающих поверхностей оптическими методами. Предлагаемое устройство может быть использовано для бесконтактного контроля периодов, ориентации, глубины и формы структуры микрорельефа дифракционных элементов или других элементов, имеющих периодическую структуру в локальной области измерения.

Известно техническое решение, представленное в устройстве для контроля углового положения дифракционных порядков (Патент США №8405832 В2 «Light scattering measurement system based on flexible sensor array», МПК G01J 1/00, G01J 3/00, G01N 21/55, опубликовано 16.06.2011), состоящем из источника излучения, контролируемого дифракционного элемента и полусферической матрицы фотоприемников, связанной с блоком обработки. Особенностью применения данного устройства является использование матрицы фотоприемников в виде полусферы, изготовление которой является сложным технологическим процессом.

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции устройства, ограниченное пространственное разрешение, а также невозможность контроля углового распределения дифракционных порядков широкополосного оптического излучения отдельно в разных участках спектра.

Известно также техническое решение, представленное в устройстве для контроля углового положения дифракционных порядков (Патент США №4991971 «Fiber optics scatterometer for measuring optical surface roughness», МПК G01B 11/30; G01N 21/47, опубликовано 12/02/1991), состоящем из источника излучения, контролируемого дифракционного элемента, матрицы оптических волокон и линейной фотоматрицы, связанной с блоком обработки. Особенностью данного устройства является использование матрицы оптических волокон, выполненных в виде полусферы и стыкованных с фотоматрицей.

Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, ограниченное пространственное разрешение, а также ограниченный спектральный диапазон контроля углового распределения дифракционных порядков.

Известно техническое решение, представленное в способе контроля углового положения дифракционных порядков и реализуемое устройством (Патент РФ №2183828, «Способ определения малоугловой индикатрисы рассеяния», МПК G01N 21/47, опубликован 20.06.2002), содержащим источник излучения, коллиматор, светоделительную пластину, поворотное зеркало, контролируемый дифракционный элемент, объективы, подвижную диафрагму и фотоприемник.

Недостатком данного технического решения является малый угловой диапазон контроля углового распределения дифракционных порядков, сложность конструкции и низкое быстродействие.

Известно также техническое решение, представленное в устройстве для измерения дифракционной эффективности дифракционных порядков дифракционных элементов (Хомутов В.Н., Полещук А.Г., Черкашин В.В. Измерение дифракционной эффективности ДОЭ по многим порядкам дифракции // Компьютерная оптика, 2011, том 35, №2 С. 196-202 http://www.computeroptics.smr.ru/KO/PDF/KO35-2/10.pdf), состоящем из координатного стола, контролируемого дифракционного элемента, плоского рассеивающего экрана, источника излучения с фокусирующим объективом, видеокамеры с проекционным объективом, блока обработки, электрически связанного с координатным столом, источником излучения и видеокамерой.

Недостатком данного технического решения является малый диапазон углов регистрируемого углового положения дифракционных порядков.

Известно техническое решение, представленное в устройстве для регистрации индикатрисы рассеяния излучения (Патент на полезную модель №157299, «Устройство для регистрации индикатрисы рассеяния излучения от контролируемой поверхности», G01N 21/47, опубликовано 27.11.2015), выбранном в качестве прототипа и состоящем из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры с проекционным объективом, блока обработки и управления электрически связанного с координатным столом, источником излучения и видеокамерой. Особенностью применения данного устройства является использование рассеивающего экрана, выполненного в виде сферического сегмента, и установленных вокруг него видеокамер.

Недостатком данного технического решения является низкая скорость передачи и точность обработки изображений, получаемых с нескольких видеокамер из-за необходимости состыковки изображений, полученных с различных видеокамер, что приводит к дополнительной погрешности измерения и усложнению конструкции.

Световой поток, падающий под углом q на периодическую структуру дифракционного элемента, пройдя или отразившись от нее, раскладывается на ряд дифракционных порядков m, интенсивность которых равна I_m, а углы дифракции b_m можно определить из выражения

где m - номер дифракционного порядка, S - период микрорельефа дифракционного элемента, L - длина волны лазерного излучения, q - угол падения светового потока на дифракционный элемент. Соответственно измерив угловое положение дифракционных порядков и зная длину волны лазерного излучения L и угол падения q, можно по выражению (1) определить период микрорельефа дифракционного элемента.

Измерив интенсивности всех дифракционных порядков I_m и определив их дифракционную эффективность, решив обратную задачу, можно определить параметры микрорельефа дифракционного элемента (Котлецов Б.Н. Микроизображения: Оптические методы получения и контроля - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985. - 240 с).

В известном техническом решении регистрация углового положения дифракционных порядков выполняется с помощью рассеивающего экрана, выполненного в виде сферического сегмента, с пропускающим окном, которое оптически связано с источником излучения и фокусирующим объективом. Рассеивающий экран установлен на расстоянии d от контролируемой поверхности дифракционного элемента. Одна из поверхностей рассеивающего экрана, например внешняя, выполняется рассеивающей световое излучение (матовая поверхность), а вокруг рассеивающего экрана установлены видеокамеры, которые регистрируют угловое положение дифракционных порядков.

При использовании рассеивающего экрана, выполненного в виде сферического сегмента, для регистрации углового распределения дифракционных порядков необходимо использовать как минимум три видеокамеры с проекционными объективами, каждая из которых выполняет контроль углового положения дифракционных порядков в своем секторе рассеивающего экрана. Для получения картины всей поверхности рассеивающего экрана необходимо состыковать изображения, полученные всеми видеокамерами в одно, что приводит к возникновению дополнительной погрешности измерения. Также использование нескольких видеокамер при смещении хотя бы одной из них в процессе измерения, или при смещении рассеивающего экрана, вызванное, например, вибрацией или другими факторами, приведет к искажению полученных результатов, которые практически невозможно контролировать, так как сложно определить какая из видеокамер была смещена, или же был смещен рассеивающий экран. Помимо этого, большое количество видеокамер в измерительном устройстве замедляет время передачи и обработки полученных изображений, а также усложняет и удорожает его конструкцию.

Перед авторами ставилась задача разработать устройство для контроля углового распределения дифракционных порядков дифракционных элементов в широком диапазоне углов, обладающее высокой точностью и быстродействием, а также простой конструкцией.

Поставленная задача решается тем, что по первому варианту в устройстве для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента, состоящем из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры с проекционным объективом, блок обработки и управления электрически связан с координатным столом, источником излучения и видеокамерой, рассеивающий экран выполнен в виде асферического мениска, который расположен вогнутой стороной к контролируемому дифракционному элементу, а видеокамера с проекционным объективом установлены с выпуклой стороны асферического мениска вдоль оси его симметрии, при этом асферический мениск ограничен двумя асферическими поверхностями z₁(r) и z₂(r), которые определяются выражениями

z₁(r)=(h_p+d_p)-r²/2R₁,

z₂(r)=(h_p+d_p-T)-r²/2R₂,

где z₁(r)≥d_p, z₂(r)≥d_p, R₁=P(h_p+d_p)/2, R₂=P(h_p+d_p-T)/2, r - радиальная координата, h_p - высота асферического мениска, d_p - расстояние от контролируемого дифракционного элемента до асферического мениска, Р - постоянный коэффициент, Т - толщина асферического мениска.

По второму варианту в устройстве для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента, состоящем из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры с проекционным объективом, блок обработки и управления электрически связан с координатным столом, источником излучения и видеокамерой, рассеивающий экран выполнен в виде оптоволоконного элемента, первый торец которого направлен в сторону контролируемого дифракционного элемента и выполнен в виде сферического сегмента с высотой h_oe, и определяется из соотношения

h_oe=R_c(1-cos(b_max)),

где R_c - радиус сферического сегмента, b_max - максимальный регистрируемый угол дифракции, а видеокамера с проекционным объективом установлены со стороны второго торца оптоволоконного элемента вдоль, при этом оптоволоконный элемент выполнен в виде фокона, соотношение диаметров торцов которого определяется из уравнения

D_t=kD_b,_,

где D_t - диаметр второго торца фокона, D_b - диаметр первого торца фокона, k - постоянный коэффициент.

Технический эффект заявляемого устройства для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента заключается в увеличении скорости и точности контроля в широком диапазоне углового положения дифракционных порядков, а также в упрощении конструкции.

На фиг. 1 приведена схема заявляемого по первому варианту устройства для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента, где 1 - источник излучения, 2 - фокусирующий объектив, 3 - пропускающее окно, 4 - асферический мениск, 5 - контролируемый дифракционный элемент, 6 - координатный стол, 7 - дифрагированное излучение, 8 - рассеянное излучение, 9 - проекционный объектив, 10 - видеокамера, 11 - ось симметрии асферического мениска, 12 - блок обработки и управления.

На фиг. 2 приведен пример схемы заявляемого по первому варианту устройства для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента с пропускающим окном, расположенным по центру рассеивающего экрана, где 1 - источник излучения, 2 - фокусирующий объектив, 3 - пропускающее окно, 4 - асферический мениск, 5 - контролируемый дифракционный элемент, 6 - координатный стол, 7 - дифрагированное излучение, 8 - рассеянное излучение, 9 - проекционный объектив, 10 - видеокамера, 11 - ось симметрии асферического мениска, 12 - блок обработки и управления.

На фиг. 3 приведен пример схемы заявляемого по первому варианту устройства для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента с использованием поворотного зеркала для оптического совмещения источника излучения и пропускающего окна, где 1 - источник излучения, 2 - фокусирующий объектив, 3 - пропускающее окно, 4 - асферический мениск, 5 - контролируемый дифракционный элемент, 6 - координатный стол, 7 - дифрагированное излучение, 8 - рассеянное излучение, 9 - проекционный объектив, 10 - видеокамера, 11 - ось симметрии асферического мениска, 12 - блок обработки и управления, 16 - поворотное зеркало.

На фиг. 4 представлен пример зависимости углового положения дифракционных порядков с использованием рассеивающего экрана, выполненного в виде асферического мениска, и одной видеокамеры с проекционным объективом, расположенной вдоль оси его симметрии.

На фиг. 5 приведена схема заявляемого по второму варианту устройства для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента, где 1 - источник излучения, 2 - фокусирующий объектив, 3 - пропускающее окно, 5 - контролируемый дифракционный элемент, 6 - координатный стол, 7 - дифрагированное излучение, 8 - рассеянное излучение, 9 - проекционный объектив, 10 - видеокамера, 12 - блок обработки и управления, 13 - оптоволоконный элемент, 14 - первый торец, 15 - второй торец, 17 - ось симметрии.

На фиг. 6,а) представлено схематичное изображение оптоволоконного элемента с плоским вторым торцом, где 3 - пропускающее окно, 5 - контролируемый дифракционный элемент, 13 - оптоволоконный элемент, 14 - первый торец оптоволоконного элемента, 15 - второй торец оптоволоконного элемента, 17 - ось симметрии второго торца оптоволоконного элемента.

На фиг. 6,б) представлено схематичное изображение оптоволоконного элемента с выпуклым вторым торцом, где 3 - пропускающее окно, 5 - контролируемый дифракционный элемент, 13 - оптоволоконный элемент, 14 - первый торец оптоволоконного элемента, 15 - второй торец оптоволоконного элемента, 17 - ось симметрии второго торца оптоволоконного элемента.

Предлагаемое по первому варианту устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента работает следующим образом (фиг. 1). Световой поток от источника излучения 1, в качестве которого, например, может использоваться лазер, прошедший через фокусирующий объектив 2 и пропускающее окно 3, выполненное в рассеивающем экране, фокусируется на контролируемом дифракционном элементе 5. Рассеивающий экран выполнен в виде асферического мениска 4 из материала (стекло, кварц, пластик и т.д.), рассеивающего световое излучение в объеме или на поверхности. Контролируемый дифракционный элемент 5 установлен на координатном столе 6, что позволяет осуществлять его сканирование. Дифрагированное излучение 7 на периодической структуре дифракционного элемента попадает на асферический мениск 4. Видеокамера 10 с проекционным объективом 9 расположены вдоль оси симметрии асферического мениска 4 и направлены на его выпуклую сторону. Рассеянное излучение 8 с поверхности асферического мениска 4 с помощью проекционного объектива 9 регистрируется видеокамерой 10, а блок обработки и управления 12, электрически связанный с координатным столом 6, источником излучения 1 и видеокамерой 10, производит обработку полученных с видеокамеры 10 изображений и сопоставляет их с положением координатного стола 6 и мощностью светового потока от источника излучения 1.

На поверхности асферического мениска 4, выполнено пропускающее окно 3, которое представляет собой сквозное отверстие. Пропускающее окно 3 может быть также выполнено как оптически прозрачная область на поверхности асферического мениска 4, без нанесенного на нее матового покрытия. Пропускающее окно 3 может быть выполнено как в центре асферического мениска 4 (фиг. 2), так и в любом другом его месте (фиг. 1).

Источник излучения 1 оптически связан с фокусирующим объективом 2, пропускающим окном 3 и контролируемым дифракционным элементом 5. Если источник излучения 1 и фокусирующий объектив 2 из-за больших размеров частично или полностью закрывают область асферического мениска 4 от видеокамеры 10 с проекционным объективом 9, в устройство может быть введено поворотное зеркало 16 малых размеров, оптически связанное с источником излучения 1, фокусирующим объективом 2, пропускающим окном 3 и контролируемым дифракционным элементом 5 (фиг. 3).

Рассеивающий экран выполнен в виде асферического мениска 4, ограниченного двумя асферическими поверхностями z₁(r) и z₂(r), которые определяются выражениями

где z₁(r)≥d_p, z₂(r)≥d_p, R₁=P(h_p+d_p)/2, R₂=P(h_p+d_p-T)/2, r - радиальная координата, h_p - высота асферического мениска 4, d_p - расстояние от контролируемого дифракционного элемента 5 до асферического мениска 4, Т=0.1-5 мм - толщина асферического мениска 4, Р - постоянный коэффициент, принимающий значения от 1 до 2.5.

Толщина Т асферического мениска 4 зависит от материала и способа его изготовления и выбирается минимально возможной. Это необходимо для того, чтобы уменьшить переотражение дифрагированного излучения между поверхностями асферического мениска 4. Высота h_p асферического мениска 4, расстояние от контролируемого дифракционного элемента 5 до асферического мениска 4 d_p и диаметр пропускающего окна D_{p_окна} 3 определяются из системы уравнений

где W=1.1-1.5 - постоянный коэффициент запаса, который выбирается таким образом, чтобы сфокусированное излучение от источника 1, беспрепятственно проходило через пропускающее окно 3, NA - числовая апертура источника излучения 1 с фокусирующим объективом 2, Т - толщина асферического мениска 4, b_min - минимальный регистрируемый угол дифракции, U=1.1-1.5 - постоянный коэффициент запаса, выбираемый таким образом, чтобы дифрагированное излучение 7 не попадало на края пропускающего окна 3, b_max - максимальный регистрируемый угол дифракции.

Использование рассеивающего экрана, выполненного в виде асферического мениска 4, позволяет использовать лишь одну видеокамеру 10 с проекционным объективом 9 для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента, причем видеокамера 10 с проекционным объективом 9 установлены с выпуклой стороны асферического мениска 4 вдоль оси его симметрии 11.

Рассеивающий экран, выполненный в виде асферического мениска 4, расположен на расстоянии d_p от контролируемого дифракционного элемента 5. В процессе работы устройства контролируемый дифракционный элемент 5 перемещается с помощью координатного стола 6, который электрически связан с блоком обработки и управления 12, источником излучения 1 и видеокамерой 10, и расстояние d_p выбирается таким, чтобы исключить касание рассеивающего экрана, выполненного в виде асферического мениска 4, и контролируемого дифракционного элемента 5. Как следует из системы уравнений (4), расстояние d_p влияет на максимальный регистрируемый угол дифракции b_max, в связи с этим при контроле углового положения дифракционных порядков на больших углах дифракции, приближающихся к 90°, расстояние d_p нужно выбирать минимально возможным из условия исключения касания асферического мениска 4 и контролируемого дифракционного элемента 5.

Применение рассеивающего экрана, выполненного в виде асферического мениска 4, позволяет использовать лишь одну видеокамеру 10 с проекционным объективом 9.

В качестве примера, если Т - толщина асферического мениска 4 мала и ею можно пренебречь, а видеокамера 10 с проекционным объективом 9 расположены на достаточном расстоянии от асферического мениска 4, то можно считать, что координаты дифракционных порядков X на матрице видеокамеры 10 в зависимости от угла дифракции b могут быть рассчитаны из выражения

где z₁(r) - форма выпуклой поверхности асферического мениска 4, определяемая по формуле (2). На фиг. 4 представлена зависимость координат дифракционных порядков на матрице видеокамеры 10 от угла дифракции Х(b), рассчитанная для следующих значений: высота асферического мениска h_p=22 мм, постоянный коэффициент Р=1,69, расстояние от контролируемого дифракционного элемента 5 до асферического мениска 4 d_p=1 мм. Таким образом, угловое разрешение устройства, предложенного по первому варианту, позволяет производить контроль углового положения дифракционных порядков в широком диапазоне углов. Изменяя коэффициент Р, в выражениях (2) и (3) можно регулировать точность определения углового положения дифракционных порядков, в определенных диапазонах углов. Например, если устройство предполагается использовать для контроля углового положения дифракционных порядков, которые при длине волны источника излучения 1 лежат в диапазоне углов меньше 60°, то Р нужно выбирать от 1 до 1.5. Если планируется проводить контроль углового положения дифракционных порядков в широком диапазоне углов дифракции, то Р нужно выбирать от 1.5 до 2.5.

Заявляемое по второму варианту устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента работает следующим образом (фиг. 5). Световой поток от источника излучения 1, в качестве которого, например, может использоваться лазер, прошедший через фокусирующий объектив 2 и пропускающее окно 3, выполненное в рассеивающем экране, фокусируется на контролируемом дифракционном элементе 5. Рассеивающий экран выполнен в виде оптоволоконного элемента 13. Один из торцов оптоволоконного элемента 13, например второй торец 15, выполнен рассеивающим световое излучение (матовая поверхность). Контролируемый дифракционный элемент 5 установлен на координатном столе 6, что позволяет осуществлять его сканирование. Дифрагированное на периодической структуре дифракционного элемента излучение 7 попадает на первый торец 14 оптоволоконного элемента, который выполнен в виде сферического сегмента. Дифрагированное излучение 7 с первого торца 14 оптоволоконного элемента проецируется на второй торец 15 оптоволоконного элемента по отдельным стеклянным волокнам, действующим в общем случае независимо. Видеокамера 10 с проекционным объективом 9 направлены на второй торец 15 оптоволоконного элемента и расположены вдоль оси симметрии 17 второго торца 15 оптоволоконного элемента. Рассеянное излучение 8 с поверхности оптоволоконного элемента 13 с помощью проекционного объектива 9 регистрируется видеокамерой 10, а блок обработки и управления 12, электрически связанный с координатным столом 6, источником излучения 1 и видеокамерой 10, производит обработку полученных с видеокамеры 10 изображений и сопоставляет их с положением координатного стола 6 и мощностью светового потока от источника излучения 1.

В оптоволоконном элементе 13 выполнено пропускающее окно 3, которое представляет собой сквозное отверстие, диаметр которого D_{oe_окна}. Пропускающее окно 3, как и в случае с рассеивающим экраном, выполненным в виде асферического мениска 4, может быть выполнено как в центре рассеивающего экрана, выполненного в виде оптоволоконного элемента 13, так и в любом другом его месте.

Источник излучения 1 оптически связан с фокусирующим объективом 2, пропускающим окном 3 и контролируемым дифракционным элементом 5. Если источник излучения 1 и фокусирующий объектив 2, частично или полностью закрывают область оптоволоконного элемента 13 от видеокамеры 10 с проекционным объективом 9, так же как и в случае с использованием рассеивающего экрана в виде асферического мениска 4, в устройство может быть введено поворотное зеркало 16, оптически связанное с источником излучения 1, фокусирующим объективом 2, пропускающим окном 3 и контролируемым дифракционным элементом 5.

Оптоволоконный элемент 13 изготовлен из спеченных вместе стеклянных волокон, при этом сердцевина каждого волокна обычно имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка. Оптоволоконный элемент 13 расположен на расстоянии d_oe от контролируемого дифракционного элемента 5. Первый торец 14 оптоволоконного элемента направлен в сторону контролируемого дифракционного элемента 5 и выполнен в виде сферического сегмента с высотой h_oe. Высота сферического сегмента h_oe, расстояние от контролируемого дифракционного элемента 5 до оптоволоконного элемента 13 d_oe и диаметр пропускающего окна 3 D_oe определяются из системы выражений

где W=1.1-1.5 - постоянный коэффициент, NA - числовая апертура источника излучения 1 с фокусирующим объективом 2, h_ƒ - высота оптоволоконного элемента 13, R_c=d_oe+h_oe - радиус сферического сегмента, выполненного в первом торце оптоволоконного элемента 14, b_min - минимальный регистрируемый угол дифракции, U=1.1-1.5 - постоянный, b_max - максимальный регистрируемый угол дифракции.

В процессе работы устройства контролируемый дифракционный элемент 5 перемещается с помощью координатного стола 6, и расстояние d_oe должно быть таким, чтобы исключить касание оптоволоконного элемента 13 и контролируемого дифракционного элемента 5. Как следует из выражений (6), расстояние d_oe влияет на максимальный регистрируемый угол дифракции b_max, в связи с этим, при контроле углового положения дифракционных порядков на больших углах дифракции, приближающихся к 90°, расстояние d_oe нужно выбирать минимально возможным из условия исключения касания оптоволоконного элемента 13 и контролируемого дифракционного элемента 5.

Соотношение диаметров первого торца 14 оптоволоконного элемента и второго торца 15 оптоволоконного элемента определяется из выражения

где D_t - диаметр второго торца оптоволоконного элемента 15, D_b - диаметр первого торца оптоволоконного элемента 14, k – коэффициент, который может принимать значения от 1 до 3.

Второй торец оптоволоконного элемента 15 может быть как плоским (фиг. 6а), так и выпуклым (фиг. 6,б)), формируя таким образом на поверхности оптоволоконного элемента 13 коллективную линзу, что увеличит светопередачу дифрагированного излучения 7 на светочувствительную матрицу видеокамеры 10.

Использование рассеивающего экрана в виде оптоволоконного элемента 13 позволяет производить контроль пространственного положения дифракционных порядков, в широком диапазоне углов дифракции при использовании одной видеокамеры 10 с проекционным объективом 9, которые направлены на второй торец 15 оптоволоконного элемента и расположены вдоль оси симметрии 17.

Зависимость координат дифракционных порядков на матрице видеокамеры 10 от угла дифракции b имеет аналогичный вид, что и для первого варианта устройства, пример которого представлен на фиг. 4. Регулировать точность определения углового положения дифракционных порядков на определенных участках углового распределения при использовании предложенного варианта устройства можно меняя коэффициент k в выражении (7).

Таким образом, предлагаемые технические решения обеспечивают с использованием одной видеокамеры широкий диапазон контроля углового положения дифракционных порядков контролируемого дифракционного элемента. Использование одной видеокамеры позволяет передавать и обрабатывать полученные изображения с более высокой скоростью, увеличить точность измерения за счет устранения погрешности стыковок изображений, а также упростить и конструкцию устройства. Широкий динамический диапазон контроля углового положения дифракционных порядков позволяет бесконтактно определять период, глубину, форму и ориентации периодической структуры микрорельефа контролируемого дифракционного элемента.

Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента состоит из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры, блока обработки и управления. Рассеивающий экран выполняется в виде асферического мениска или оптоволоконного элемента. Видеокамера устанавливается вдоль оси, соединяющей центр рассеивающего экрана и область фокусировки излучения. Технический результат заключается в увеличении скорости и точности контроля в широком диапазоне углового положения дифракционных порядков, а также в упрощении конструкции. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента, состоящее из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры с проекционным объективом, блока обработки и управления, электрически связанного с координатным столом, источником излучения и видеокамерой, отличающееся тем, что рассеивающий экран выполнен в виде асферического мениска, который расположен вогнутой стороной к контролируемому дифракционному элементу, а видеокамера с проекционным объективом установлены с выпуклой стороны асферического мениска вдоль оси его симметрии.

2. Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента по п. 1, отличающееся тем, что асферический мениск ограничен двумя асферическими поверхностями z₁(r) и z₂(r), которые определяются выражениями

z₁(r)=(h_p+d_p)-r²/2R₁,

z₂(r)=(h_p+d_p-T)-r²/2R₂,

где z₁(r)≥d_p, z₂(r)≥d_p, R₁=P(h_p+d_p)/2, R₂=P(h_p+d_p-T)/2, r - радиальная координата, h_p - высота асферического мениска, d_p - расстояние от контролируемого дифракционного элемента до асферического мениска, Р - постоянный коэффициент, Т - толщина асферического мениска.

3. Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента, состоящее из координатного стола, оптически связанных рассеивающего экрана с пропускающим окном, контролируемого дифракционного элемента, расположенного между координатным столом и рассеивающим экраном, источника излучения, фокусирующего объектива, видеокамеры с проекционным объективом, блок обработки и управления электрически связан с координатным столом, источником излучения и видеокамерой, отличающееся тем, что рассеивающий экран выполнен в виде оптоволоконного элемента, первый торец которого направлен в сторону контролируемого дифракционного элемента и выполнен в виде сферического сегмента с высотой h_oe, и определяется из соотношения

h_oe=R_c(1-cos(b_max)),

где R_c - радиус сферического сегмента, b_max - максимальный регистрируемый угол дифракции, а видеокамера с проекционным объективом установлены со стороны второго торца оптоволоконного элемента вдоль.

4. Устройство для контроля углового положения дифракционных порядков дифракционного элемента по п. 3 отличается тем, что оптоволоконный элемент выполнен в виде фокона, соотношение диаметров торцов которого определяется из уравнения

D_t=kD_b,

где D_t - диаметр второго торца фокона, D_b - диаметр первого торца фокона, k - постоянный коэффициент.