Способ записи метрологических голографических решеток Советский патент 1987 года по МПК G02B5/18 

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

Цель изобретения - повышение точности и увеличение размеров записываемой решетки.

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

Оптико-электронное устройство для реализации предлагаемого способа состоит (фиг. 1) из источника 1 когерентного излучения длиной волны ; и

связанных с ним модулирующего элемен- ,Q производить недеструктивное считывата 2, первого коллимирующего устройства, состояние го из линз 3 и 4, и полу- шрозрачного зеркала 5; непрерывного источника 6 когерентного излучения

ние в реальном времени системы бегущих муаровых полос, и осуществляют пу тем измерения - разности фаз фотодатчи ками 20-24 и картине этих полос опре

длиной 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 зеркала 13 и третьего коллимирующего устройства, состоящего из линз 14 и 15; вспомогательной решетки 16 и связанного с ней пьезокерамического элемента 17; фотоносителя 18, работающего в реальном времени и чувствительного к длине волны Д , и жестко связанного с ним обычного фотоносителя 19, чувствительного к длине ); фотодатчиков 20-24, электронного фа- зометрического устройства 25, вырабатывающего сигналы управления модулирующими элементами,- и электронного фазометрического устройства 26, выра25 деление ошибки записи метрологической решетки и ее коррекцию в процессе записи путем изменения времени задержки сигналов управления модулирующим элементом 2 источника 1 с т относитель30 но 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 осве4Q щают одновременно двумя пучками света синим (АО и красным ( А) . При этом синий (А,) копирует в реальном времени решетку на фотоноситель 18, а красньй (AJ) считывает записанную на

батывающего сигналы, управляющие пье- 45 Фотоносителе решетку непосредственно

зокерамическим элементом.

Способ осуществляют следующим образом.

Предварительно записанную решетку, жестко связанную в линию с неэкспо- нированным фотоносителем 18, непрерывно перемещают по направляющим относительно фиксированной индикаторной решетки, систему из этих двух решеток освещают непрерывным когерентным источником 6 .света, а образующуюся на выходе решеток систему бегущих муаровых полос преобразуют фотодатчиками 20-24 в последовательность электрических сигналов, которые управляют модулирующим элементом 2 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 ко.торьм предварительно экспонируют с помощью когерентного источника 1 длиной волны Й ограниченный участок фиксированной вспомогательной реше т- ки 16, совмещающей функции индикаторной и экспонируемой решеток, предварительно записанную и вспомогательную решетки дополнительно освещают непрерывным когерентным источником 6 света длиной волны А, позволяющим проние в реальном времени системы бегущих муаровых полос, и осуществляют путем измерения - разности фаз фотодатчиками 20-24 и картине этих полос опре

5 деление ошибки записи метрологической решетки и ее коррекцию в процессе записи путем изменения времени задержки сигналов управления модулирующим элементом 2 источника 1 с т относитель0 но 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 освеQ щают одновременно двумя пучками света- синим (АО и красным ( А) . При этом синий (А,) копирует в реальном времени решетку на фотоноситель 18, а красньй (AJ) считывает записанную на

0

5

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 ()s то восстановится исходная картина муаровых полос, а длина скопиройанной решетки увеличится на длину периода. Равномерно перемещая фотопоситель 18 и периодически от-крывая источник 1 синего света (А) только при смещении на период, можно последовательно перезаписать ограниченный участок решетки

16 на всю длину фотоносителя. В случае появления ошибки копирования, связанной с изменением периода, муаровые -полосы изменяют св-ою форму, .С помощью фазометрического устройства 25 определяют величину этих изменений, а Г следовательно, и величину изменения периода и открывают источник 1 синего света с задержкой, равной измерен- ной величине. Это позволяет скорректировать в реальном времени возникающие ошибки периода. На первом этапе способа пучок коллимированного света длиной волны , проходя через вспомогательную решетку 16 под углом Брегга, записывает ее в реальном времени на неподвшкньгй фотоноситель 18, чувствительньй к этой длине волны. Запись в реальном времени позволяет получить точную копию ограниченного участка вспомогательной решетки 16 на фотоносителе 18 непосредственно в процессе экспозиции без дополнительной

посл едующей химической обработки. Не- 25 вспомогательной решетки 16. При этом

модулированный пучок света длиной волны Aj сколлимированньй линзовой системой 10 - 11, направляется под углом Брегга через вспомогательную решетку 16 на предварительно записан- ный участок метрологической решетки. Длину волны / выбирают такой,, чтобы фотоноситель, работающий в реальном времени, был не чувствительньш к ней Это позволяет производить недеструк- тивное считывание предварительно записанной pemeTKSi. Комбинация вспомогательной и предварительно записанной решётки, освещенная когерентным свето с длиной волны Д 9 образует картину муаровых полос, в поле которых размещены фотодатчики 20-24. На втором этапе фотоносители 18 и 19 перемещаются с постоянной скоростью относительно фиксированной вспомогательной решетки 16 в направлении, перпендикулярном ее штрихам. Перемеп ение фотоносителя 18 приводит к появлению картины бегущих муаровых полос, причем перемещение муаровс-й: полосы на период со- ответствует перемещению на период предварительно записанной решетки. Бегуище муаровые полосы преобразуются фотодатчиками в электрические сиг налы синусоидальной формы. В случае, .когда вспомогательная 16 и предварительно записанная на. фотоносителе 18 решетки идеально равномерные, муаровые полосы представляют собой полосы

одинаковой интенсивности, перпевдику- лярные штрихам решетки (параллельные направле шю 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 0. Сигналы с фотодатчиков 21-24, поступая в электронное фазометрическое устройство 25, вырабатывающее сигналы управления модулируюш гм 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 стробоскопического эффекта позволяет записывать в реальном времени на перемещающийся фотоноситель 18 протяжен- ную метрологическую решетку путем последовательного и многократного экспонирования ограниченного участка

оQ g -

5

5

вначале считывается и одновременно перезаписывается предварительно запи- санньм 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 вспомогательной и записываемой решеток, а татсже погрешность электронного тракта, вы- зываюище появление местных и прогрессивных опмбок. Наличие ошибок записываемой решетки приводит к искривлению муаровых полос (фиг. 2),т.е. к отклонению их от прямолинейных. При этом величина локальной ошибки & (ошибки в данной точке) определяется отклонением центра искривленной полосы от средней прямолинейной в данной точке. В случае бегущих муаровых полос паиболее точное (с точнос тью порядка 21/100) определение локальной ошибки обеспечивается фазовь1ми изме- реютями. В конкретном примере электронным фазометрическим устройством

25 измеряются разности фаз меж,цу фотодатчиками 21-22 (ЛФ.г ) J 22-23 (/1Ф ); 23-24 (ЛФ2,,2), вычисляется средняя разность фаз

лф

l,d 4. lA y-2iil ii -2lL 7 .чГ 9 J

21-гг

513270

соответствующая средней прямолинейной муаровой полосе, и определяется величина локальной ошибки в точке фотоприемника 23

лф д - д ф 2i-2.f

Величина лФдок характеризует интервал времени задержки между временем прохождения через линейку фотодатчиков 2Т-24 средней прямолинейной полосы, соответствующей идеально равномерной решётке, и временем прохож;цения реальной искривленной полосы с локальной ошибкой 4 через фотоприемник 23. Измеренная таким способом величина

л,

лок

с обратным знаком подается на

модулирующий-элемент 2, изменяя время его запуска относительно центра средней прямолинейной полосы и компенсируя локализованн-ую и измеренную ошибку записи.

Пред/1агаемый способ позволяет локализовать, измерить и в реальном вре-- мени скорректировать ошибки, возникающие в процессе записи решетки обеспечивая полное выгюлн елше принципа стабилизации периода решетки и позволяя стабилизировать период с точностью до величины погрешности определения локальной ошибки.

Так,при использовании решетки с периодом d 1 мкм, расстоянии между фотодатчиками 1 1 10 мм и средне- квадратической ошибке фазовых измерений (3 2|Г/100 ошибка стабилизации составит d 0,01 мкм на длине 40 мм или А О505 мкм на длине 1 м, Точность фазовых измерений практически полностью не зависит от влияния амплитудных факторов (изменения интенсивности источников излучения., , изменения дифракционной зффективност, записываемой решетки, рассеянного света и т.д.), а также, скорости перемещения 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 5 приводящей при использовании такой решетки в датчиказ линейных перемещений к появлению пог решнрсти Аббе. Дефекты направляющих приводят к изменению углов наклона штрихов вспомогательной и записывае37 6

мой решеток и, как следствие, к нению пространственного периода ровых полос

d

D 2;

0

(1

0

55

.где D - период муаровых полос; d - период решеток; - угол между штрихами решеток. Стабилизация периода муаровых полос, а следовательнОэИ сохранение . взаимной параллельности штрихов записываемой решетки в предпагаемом спо-. собе осуществляется путем стабилизации разности фаз между фотодатчиками 20-21э расположенными строго вдоль штрихов решетки. Изменение угла при-, водит только к изменению разности фаз ., , сохраняя неизменными разности фазЛ.2 ;йФ22-2з П-2 Кривизна муаровых полос не оказывает

влияния на ,., в том случаеj если фотодатчики расположены строго ; вдоль штриха решетки, тав; как период муаровых полос не меняется вдоль направления штрихов решетки. В конкретном примере разность фаз дФ,,., измеряется электронным фазометрическим устройством 26,которое .вырабатывает сигналы управления пьезокерамическим злемен- том 175,изменяющим угол наклона штрихов вспомогательной решетки 16 относительно записываемой путем поворота первой. Таким образом, введение второго контура стабилизации фотодатчиков 20-21, фазометрического устройства 26 и пьезокерамического злемента 17 позволяет стабилизировать угол наклона между штрихами вспомогательной и записываемой решеток и сделать его некритичным к влиянию дефектоё направляющих.

Предлагаемый способ позволяет с покошью Двух конту1)ов стабилизации осуществить запись на фотоноситель, работающий в реальном времени протяженной высокоточной решетки, Однако пригодные для этой цели фотоматериалы обладают сравнительно низкой дифракционной эффективностью ( - 10%). С целью повышения дифракционной зффективности в конкретном примере используют жестко скрепленньй с фотоносителем-IS, работающим в реальном времени, -обычный фотоноситель 19,, позволяющий достичь на длине волны высокой дифракхщонной эффективности (). При зтом метрологи

ческая решетка записывается параллельно и одновременно и на обычный фотоноситель 19 с помощью источника 6 излучения длиной волны Д моДУ лирующего 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 бьш реализован в устройстве, состоящем из подложки с материалом, работающим в реальном времени, в качестве которого использовали диазосоединение ДП-15, жестко скрепленной с подложкой из обычного фотоносителя ПЭ-2, Данное диазосоединение обладает спектральной чувствительностью к коротковолновой части спектра Д 0,5 мкм и практически полностью нечувствительно к длинноволновой Д 0,6 мкм.В качестве источника когерентного излуче ния, осуществляющего запись в реальном времени, использовали гелий- кадмиевый лазер ЛГ-61 с длиной волны Д, 0,44 мкм, а в качестве источника недеструктивного считывания - ге- лий-неоновый лазер ЛГ-38 с длиной волны Л- 0,63 мкм. В качестве вспомогательной решетки использовали голографическую решетку периодом d 1 мкм и длиной L АО тл, к торцу которой приклеивали пьезокерамически элемент ЦТС-23, позволяющий поворачивать вспомогательную решетку на угол ( +1 . Пучки лазерного свет модулировали механически с помощью высокочастотных реле РЭС-49, позволяющих работать на частотах до 200 Гц.

На первом этапе записи коллимиро- ванньш пучок света длиной волны Д 0,44 мкм, проходя через вспомогательную решетку под углом Брегга 0 12,7°, копировал ее на диазосоединение. Одновременно коллимирован- ный пучок света длиной волны Д

0,63 мкм, проходя под углом Брегга 82 18,4° через вспомогательную решетку и решетку, записываемую в реальном времени на диазосоединение, образовывал систему муаровых полос, в поле которых размещали 5 фотодиодов ФВ-27к, четыре из которых распо-. лагали в линию, перпендикулярную 1 штрихам решетки, а пятый - параллельно штрихам решетки. Расстояние между

.5

10

20

25ЗО40 27037,

всеми фотодиодами il 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 фазометричес- кие устройства, включающие коммута- iTop, селективные усилители У 2-6, фазометр , устройство формирования импульсов запуска реле и высоковольтный усилитель напряжения, управ- 15 ляющий : пьезокерамикой. Одновременно с записью решетки на диазосоединение БП-15 вели параллельную запись на фотопластинку ПЭ-2. В результате была записана метрологическая голо- графическая решетка длиной L 80мм. Полная ошибка 4 0,5 мкм, дифракционная эффективность t 30%.

5 О 0

5

0

5

Формула изобретения

Способ записи метрологических го- лографических 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 мог дулирующим элементом и с длиной волны Д, путем экспонирования ограниченного участка фиксированной вспомогательной решетки, совмещающей функции индикаторной и экспонируемой решеток, предварительно записанную и вспомогательную решетки освещают непрерывным когерентным источником света длиной волны /1

2 9

позволяющей производить недеструктивное считывание системы бегущих муаровых полос, и осуществляют путем измерения разности фаз фотодатчиками в картине этих полос определение ошибки записи метрологической решетки и ее коррекцию в процессе записи путем изменения вре- -:

мени задержки сигналов управления модулирующим элементом источника с ) относительно среднего периода муаровых полос и ошибки, вызванной дефектами направляющих, и ее коррекцию в процессе записи путем изменения уг- ла наклона вспомогательной решетки по отношению к штрихам решетки, за- |писываемой на фотоноситель.

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

фиг. 2

Редактор А. Лежнина

Составитель В. Кравченко

Техред Л.Сердюкова Корректор В, Гирняк

Заказ 3385/42Тираж 521Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-355 Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г,.Ужгород, ул. Проектная, 4