СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПАРЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК ТУРУХАНО Советский патент 1996 года по МПК G02B5/18 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, более конкретно к способам создания голографических дифракционных решеток, предназначенных для использования в метрологии.

Цель изобретения повышение точности изготовления, а также тиражирования измерительных решеток.

На фиг.1 представлена изготовленная конструкция, включающая измерительную решетку и матрицу для копирования индикаторной решетки; на фиг.2 то же, вид сверху; на фиг.3-6 возможные варианты выполнения матрицы для копирования индикаторной решетки; на фиг.7 схема формирования (записи) штрихов решеток и ноль-меток; на фиг.8 зависимость интенсивности света на двух фотоприемниках в зависимости от перемещения одной из решеток относительно другой.

В соответствии со способом изготавливают измерительную и индикаторную решетки. Для этого одну из боковых граней подложки 1 измерительной решетки обрабатывают с оптической точностью, а на другую поверхность подложки наносят светочувствительный слой 2. Затем формируют в этом слое систему периодических штрихов 3, сгруппированных в расположенных последовательно вдоль направления перпендикулярного штрихам участках, у которых границы двух соседних фазированных участков перекрывают друг друга, а фазы накладывающихся штрихов совпадают. Далее на свободной от штрихов 3 измерительной решетки части светочувствительного слоя 2 в пределах ширины, а зоны этих штрихов формируют вторую систему штрихов 4, сгруппированных в отдельные участки 5-8, сдвинутые по фазе относительно друг друга. При этом частоту штрихов в этих участках определяют из соотношения:
ν_2i=ν₁± Δν_i; (1)
где ν_2i частота штрихов i-го участка системы штрихов 4;
ν₁ частоты штрихов 3 измерительной решетки;

а угол α_i наклона штрихов в i-ом участке относительно штрихов 3 из соотношения
0≅ α_i<arcsin 1/0,1 ν₁ (2)
Затем по одну сторону от систем штрихов 3 и 4 на прямой, перпендикулярной штрихам 3 и не пересекающей их, формируют в светочувствительном слое 2 ноль-метки, одна ноль-метка 0 соответствует системе штрихов, а одна или несколько периодически расположенных ноль-меток 10 -системе штрихов 3. Индикаторную решетку изготавливают путем снятия копии с матрицы, включающей систему штрихов 4 и соответствующую ей ноль-метку 9, базируясь по оптически обработанной боковой поверхности подложки 1. В целях тиражирования измерительных решеток аналогично снимают копии с исходной измерительной решетки и соответствующих ей ноль-меток 10.

Способ может быть реализован в соответствии со схемой, представленной на фиг.7. В этой схеме используется двухлучевой (S₁, S₂) интерферометр, диафрагмы 11, 12, перекрывающие соответствующие участки светочувствительного слоя 2, и цилиндрическая линза 13 для записи ноль-меток. После записи системы штрихов 3 (или до нее) осуществляется запись системы штрихов 4. При этом участки 5, 7 и 6, 8 (см. фиг.3-6) могут быть сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90^o или 180^o, в то время как участки 7, 8 и 5, 6, наоборот на 180^o или 90^o, соответственно. Два соседних участка на фиг.4-6 сдвинуты по фазе на 90^o.

Можно организовать и другие конфигурации и фазовые сдвиги участков 5-8. Причем во всех выше упомянутых случаях можно реализовать в каждом отдельном участке практически любой наклон, любую частоту или сдвиг фазы штрихов относительно штрихов 3 измерительной части решетки. Это обеспечивается применением адаптивного интерферометра, в котором записывается данная решетка, т.к. он обладает возможностью изменения этих величин в больших пределах. Причем значения фазовых сдвигов, угла наклона и частоты измеряются с точностью порядка α/100 (α период решетки), благодаря использованию метода фазовой модуляции.

При записи ноль-метки для формирования сигнала начала отсчета, угол q₁ выбирается равным углу θ₂ самого интерферометра. В приведенном случае ноль-метка состоит из голографических растров с монотонно изменяющимся периодом. Они применяются в качестве элементов начала отсчета. Для этого используется также разностный сигнал, формируемый в симметричных точках растров. Причем ноль-метка присутствует единожды в первой ее части (3) для начала отсчета или многократно и с одинаковой периодичностью для получения (абсолютного) отсчета с разных точек решетки. Периодичность ноль-метки может быть не меньше, чем ширина l в пределах которой устанавливают два фотоприемника для создания сигнала отсчета и разностного сигнала. Поэтому ширина 1 должна быть больше, чем входная апертура фотоприемников. Для многократной записи ноль-метки и установленной периодичностью перемещение подложки 1 организуется с точностью, равной разрешению самого фотоэлектрического преобразователя и ноль-метки. Если же это не удается сделать, то можно ввести коррекцию к положению ноль-метки после аттестации решетки.

Запись второй части (4) решетки на одной подложке 1 с ее первой частью (3) в одном и том же интерферометре за один и тот же цикл дает возможность очень точно выдержать соотношение между наклоном, частотой и разностью фаз штрихов обеих частей, а также записать параллельно друг другу все ноль-метки.

Далее, используя одну из боковых поверхностей стеклянной подложки 1 в качестве базовой (для чего она обработана с оптической точностью), создают ответную индикаторную решетку как копию с матрицы (второй части (4) решетки). Причем в дальнейшем ответная решетка используется в фотоэлектрическом преобразователе линейных перемещений в паре с измерительной. Боковая поверхность подложки 1 измерительной решетки используется для базирования узла, в котором устанавливается ответная решетка, являющаяся в дальнейшем составной частью считывающей головки фотоэлектрического преобразователя.

Тем самым без дополнительных регулировок осуществляется автоматическое согласование ответной и измерительной решеток в фотоэлектрическом преобразователе.

Традиционная схема фотоэлектрического преобразователя линейных перемещений строится следующим образом: коллимированный свет от источника излучения, проходя систему для измерительной и ответной решеток, образует поле муаровых полос. В поле муаровых полос устанавливается от 2 до 4 фотоприемников (соответственно количеству участков ответной решетки), сдвинутых по фазе друг относительно друга на четверть или половину периода для получения реверсивного сигнала и компенсации его постоянной составляющей (фиг.8).

Синусоидальные сигналы с фотоприемников после предварительной обработки попадают в реверсивный счетчик и выводятся затем на цифровую команду либо в ЭВМ. Причем сигнал начала отсчета задается с помощью дополнительно установленных фотоприемников в апертуре муаровых полос, образованных от ноль-метки, элементы которых присутствуют одновременно на измерительной и ответной решетках.

В соответствии с предлагаемым способом во второй части (4) решетки интерференционным методом записывается необходимое количество участков 5-8, штрихи которых определенным образом наклонены между собой и сдвинуты по фазе таким образом, чтобы обеспечить те фазовые сдвиги, которые необходимы при работе конкретно выбираемого фотоэлектрического преобразователя линейных перемещений (все участки расположены на одной общей подложке). В некоторых преобразователях параллельность штрихов в обеих частях и в каждом участке друг другу дает возможность фотоэлектрическому преобразователю работать в муаровых полосах максимальной ширины.

Согласно изобретению получена решетка с длиной первой части 1 м и с частотой 1000 лин/мин с непрерывным распределением штрихов. Вторая часть состоит из 4-х участков (фиг.3), каждый из которых имеет ширину 5 мм.

Разность фаз различных участков:

Штрихи 1-й и 2-й частей решетки параллельны между собой и имеют одинаковую частоту. Ширина ноль-метки l 8 мм. Она записана при θ₂=45^°. Погрешность первой части 1 мкм/м. С второй части данной решетки получена ответная решетка путем копирования. При установке ответной решетки в фотоэлектрическом преобразователе линейных перемещений на протяжении всей измеряемой длины перемещений полоса остается практически максимальной ширины.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, более конкретно к способам создания голографических дифракционных решеток, предназначенных для использования в метрологии. В соответствии со способом изготавливают измерительную и индикаторную решетки. Для этого одну из боковых граней подложки 1 измерительной решетки обрабатывают с оптической точностью и наносят на нее светочувствительный слой 2. Затем формируют в этом слое систему периодических штрихов 3, сгруппированных в расположенных последовательно вдоль направления, перпендикулярного штрихам, участках, у которых границы двух соседних фазированных участков перекрывают друг друга, а фазы накладывающихся штрихов совпадают. Далее на свободной от штрихов 3 измерительной решетки части светочувствительного слоя 2 в пределах ширины зоны этих штрихов формируют вторую систему штрихов 4, сгруппированных в отдельные участки 5-8, сдвинутые по фазе относительно друг друга. При этом частоту штрихов в этих участках и угол их наклона относительно штрихов 3 измерительной решетки определяют из соответствующих математических выражений в зависимости от частоты штрихов 3. Затем, по одну сторону от систем штрихов 3 и 4 на прямой, перпендикулярной штрихам 3 и не пересекающей их, формируют в светочувствительном слое 2 ноль-метки, одна ноль-метка 9 соответствует системе штрихов 4, а одна или несколько периодически расположенных ноль-меток 10 - системе штрихов 3. Индикаторную решетку изготавливают путем снятия копии с матрицы, включающей систему штрихов 4 и соответствующую ей ноль-метку 9, базируясь по оптически обработанной боковой поверхности подложки 1. С целью тиражирования измерительных решеток аналогично снимают копии с исходной измерительной решетки (3) и соответствующих ей ноль-меток 10. Благодаря формированию систем штрихов 3, 4 и ноль-меток 9, 10 за один цикл в интерферометре и базировке по оптически обработанной боковой поверхности подложки 1 при изготовлении копий точность изготовления пары решеток существенно возрастает. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изготовления пары метрологических голографических дифракционных решеток, включающий изготовление измерительной и индикаторной решеток путем нанесения на подложку измерительной решетки светочувствительного слоя и формирования в этом слое системы периодических штрихов, сгруппированных в расположенных последовательно вдоль направления, перпендикулярного штрихам, участках, у которых границы двух соседних фазированных участков перекрывают друг друга, а фазы накладывающихся штрихов совпадают, отличающийся тем, что, с целью повышения точности изготовления, перед нанесением светочувствительнного слоя одну из боковых граней подложки измерительной решетки обрабатывают с оптической точностью на свободной от штрихов измерительной решетки части светочувствительного слоя, в пределах ширины зоны этих штрихов формируют вторую систему штрихов, сгруппированных в отдельные участки, сдвинутые по фазе относительно друг друга, причем частоту штрихов в этих участках определяют из соотношения
ν_2i= ν₁±Δν_i,
где ν_2i частота штрихов 1-го участка второй системы штрихов;
ν₁ частота штрихов измерительной решетки;

а угол α_i наклона штрихов в 1-ом участке относительно штрихов измерительной решетки из соотношения
0≅α_i<arcsin 1/0,1ν₁,
затем по одну сторону от обеих систем штрихов на прямой, перпендикулярной штрихам измерительной решетки, не пересекающей их, формируют в светочувствительном слое ноль-метки, одна из которых соответствует второй системе штрихов, а одна или несколько периодически расположенных ноль-меток - системе штрихов измерительной решетки, а индикаторную решетку изготавливают путем снятия копии с второй системы штрихов и соответствующей ей ноль-метки, базируясь по оптически обработанной боковой поверхности подложки измерительной решетки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью тиражирования измерительных решеток, снимают копии с системы штрихов исходной измерительной решетки и соответствующих ей ноль-меток, базируясь по оптически обработанной боковой поверхности подложки этой решетки.