автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Полифункциональные голограммные оптические элементы и устройства на их основе

1. Полифункциональность ГОЭ н способы ее обеспечения

Практически все известные к настоящему времени ГОЭ - многофункциональны, поскольку способны выполнять функции нескольких оптических элементов и систем. Среди них существует особая группа элементов, действие которых может быть представлено в виде нескольких последовательных преобразований волновых фронтов. В отличие от указанных выше ГОЭ договоримся называть такие элементы полифункциональными. Полифуикциональность ГОЭ, определяемая как совокупность их изображающих свойств, описываемая в виде нескольких последовательных преобразований волновых фронтов, может обеспечиваться либо внутренней структурой элементов, либо особенностями реализуемого через них хода лучей.

В качестве примеров структурной полифункциональности можно привести рельефно-фазовые отражательные ГОЭ и элементы, выполненные в виде обладающих объемными свойствами взаимосвязанных голограмм[35]. Полифункциональность отражательных рельефно-фазовых голограмм покажем на примере ГОЭ, выполненного в виде сферического зеркала, несущего на своей поверхности рельефно-фазовую голограммную структуру. Такой голограммный элемент по своим изображающим свойствам близок к зеркалу, обладающему двумя эффективными центрами кривизны. Один из них реализуется в нулевом порядке дифракции излучения на голограммной структуре и, совпадает по положению с центром кривизны поверхности зеркала. Положение второго эффективного центра кривизны зависит от оптической силы голограммной структуры и может быть определено исходя из принципа дуализма голограммных оптических элементов[36]. В соответствии с ним преобразования волновых фронтов, осуществляемые отражательными рельефно-фазовыми голограммами, могут быть представлены в виде двух последовательных актов, а именно: дифракции излучения на аналогичной, но пропускающей голограммной структуре и отражения продифрагировавшей волны от поверхности подложки голограммы. Таким образом, отражательный рельефно-фазовый ГОЭ, обладающий эффективным центром кривизны, расположенным, например, в фокальной плоскости поверхности подложки, мсокет быть описан эквивалентной оптической системой, состоящей из пропускающей голограммы и расположенного непосредственно за ней обычного сферического зеркала. Пои освещении голограммы из точки С, расположенной в фокальной плоскости зеркала, 01й, в первом порядке дифракции, формирует близкий к параллельному пучок лучей. Последний направляется на зеркало, отражается от него, проходит через голограмму в нулевом порядке дифракции и фокусируется в той же точке С. Таким образом, подифункциональность отражательных рельефно-фазовых ГОЭ обеспечивается двумя последовательными актами преобразования волнового фронта; дифракцией на структуре голограммы и отражением от поверхности ее подложки.

Иной механизм полифункциональности реализуется в объемных и квазиобьемных ГОЭ, получаемых методом взаимосвязанных голограмм. Суть этого метода заключается в последовательной регистрации, по крайней мере, двух обладающих угловой селективностью голограмм на один и тот же участок регистрирующей среды. Причем обе эти голограммы регистрируются с помощью одного и того же источника опорной волны. При освещении голограмм одной из объектных волн осуществляется восстановление другой объектной волны. Действие такой голограммы может быть представлено в виде двух последовательных актов дифракции излучения на взаимосвязанных голограммных структурах. Отметим, что именно такой тип полифункциональности ГОЭ отвечает за формирование ложных изображений, формируемых при дифракции восстанавливающего излучения на паразитных голограммных структурах, обусловленных френелевскими отражениями регистрирующих ГОЭ пучков лучей [1,2].

В качестве примеров полифункциональности, обеспечиваемой за счет особенностей реализуемого через ГОЭ хода лучей, можно привести интерферометр Тваймана-Грина с голографическим аналогом объектива[37] и подобные ему устройства с голографическими компенсаторами аберраций нормалей[3]. Полифункциональность используемых в них ГОЭ обеспечивается за счет отражения излучения от контролируемой поверхности и вторичной его дифракции на структуре ГОЭ. В таких интерферометрах полифункциональный ГОЭ является полным аналогом традиционного объектива -неотъемлемой части классического интерферометра Тваймана-Грина. В связи с этим его применение не приводит к каким-либо заметным изменениям функциональных возможностей интерферометра и требований, предъявляемых к входящим в его состав элементам и узлам.

Вместе с тем рациональное использование изображающих свойств полифункциональных ГОЭ позволяет решать с их помощью сложные задачи формирования прецизионных волновых фронтов и создавать на их основе удобные в эксплуатации, простые по конструкции, необычные по своим характеристикам приборы и устройства. Покажем это на примере разработанных и исследованных в ходе выполнения настоящей диссертационной работы топографического метода формирования сходящегося пучка лучей, ортогональных цилиндрической поверхности, и ряда принципиальных схем интерферометров с полифункциональными голограммными оптическими элементами.

2. Голографическнй метод формирования сходящегося пучка лучей, ортогональных цилиндрической поверхности.

Требование аппаратной реализации интенсивно развивающихся оптических методов хранения и обработки информации предусматривает необходимость создания специализированной базы оптических элементов и систем. Среди них наиболее сложными в изготовлении и аттестации представляются оптические

Разработанный метод позволяет осуществлять формирование астигматических пучков лучей с практически любой астигматической разностью, в том числе и пучков* ортогональных цилиндрической поверхности. Эту возможность иллюстрирует график, приведенный на рис. 1. Отметим, что пучку лучей, ортогональных цилиндрической поверхности, на этом графике соответствуют значения а = ±45°, при которых параметр Д/Л, стремится к бесконечности. Напомним, что сформированный таким образом пучок лучей получается расходящимся из мнимой фокальной линии, расположенной на том же расстоянии от голограммы, что и опорный, объектный и восстанавливающий источники. Мнимость изображения фокальной линии затрудняет оценку ее качества и тем самым делает проблематичной юстировку голограммы относительно положения восстанавливающего источника. Для получения действительного изображения фокальной линии голограмму необходимо восстанавливать с помощью сферической волны, сопряженной упомянутой выше восстанавливающей волне. Формирование соответствующего такой волне садящегося гомоцентрического пучка лучей с помощью традиционных оптических систем и необходимая при этом юстировка голограммы относительно положения восстанавливающего источника представляются нам весьма сложной задачей. *

-80

30 60 а,,град

Рис.1. Зависимость астигматической разности от величины угла а

Рис.2. Схема получения и восстановления голограммы, формирующей сходящийся астигматический пучок лучей

В связи с этим в ходе настоящей работы было предложено использовать для формирования сходящегося астигматического пучка лучей полифункциональный ГОЭ, сочетающий в себе принцип взаимосвязанных голограмм, голографический способ обращения волнового фронта и голографический метод формирования астигматических пучков лучей [б]. Схема регистрации и восстановления такого ГОЭ представлена на рис.2. В соответствии с ней регистрация ГОЭ осуществляется за две экспозиции. Во время первой регистрируется топографическое поле, сформированное точечными источниками Oj и г,, расположенными относительно регистрирующей среды так, как было описано выше. Перед второй экспозицией фотопластинка с регистрирующей средой разворачивается на 180° относительно оси, перпендикулярной плоскости рисунка и проходящей через центр регистрирующей среды. При второй экспозиции осуществляется запись топографического поля, образованного пучком лучей, расходящихся из точечного источника гр и параллельным пучком г}. Голограмма, получаемая за вторую экспозицию, предназначается для формирования гомоцентрического пучкалучей, сходящегося в изображение точечного источника (¡2 и восстанавливающего голограмму, записанную во время первой экспозиции. После фотохимической обработки полученный ГОЭ устанавливается в то же положение, что и во время первой экспозиции, и восстанавливается параллельным пучшм г . При этом восстанавливается пучок лучей, сходящихся в изображение точечного источника <3,. Он, в свою очередь, преобразуется с помощью голограммы, зарегистрированной за первую экспозицию, в пучок лучей, ортогональных цилиндрической поверхности. Последний сходится в изображение фокальной линии, расположенное на том же расстоянии от голограммы, ЧТО И точечные ИСТОЧНИКИ Г(, О! И <22.

Возможность и целесообразность практического использования рассмотренного метода формирования сходящегося пучка лучей, ортогональных цилиндрической поверхности, были проверены нами экспериментально. МетодикаЬтой работы включала в себя: регистрацию полифункционального ГОЭ со световыми размерами 30x30мм" и фокусным расстоянием 130 мм и оценку структуры формируемого с его помощью сходящеюся пучкалучей, ортогональных цилиндрической поверхности. "Указанная оценка проводилась отдельно в двух главных сечениях пучка и была основана на исследовании распределения интенсивности излучения в дифракционных картинах, образующих изображения фокальных линий. Результаты проведенных исследований показали удовлетворительное совпадение с теоретическими выводами и подтвердили возможность формирования голографическим методом цилиндрических волновых фронтов, имеющих дифракционное качество в главном сечении, перпендикулярном фокальной линии, и обладающих сферической аберрацией в другом главном сечении.

Сформированный таким образом пучок лучей использовался нами в качестве объектного пучка при изготовлении программных цилиндрических линз для устройств обработки информации [7]. С его помощью также были получены ГОЭ. формирующие практически безаберрационный цилиндрический волновой фронт. При этом рассмотренный метод формирования цилиндрической волны дополнялся операцией пространственного выделения безаберрационного участка сформированного волнового фронта и последующим его, этого участка, расширением с помощью оригинального устройства, состоящего из двух расположенных под углом друг к другу эквидистантных дифракционных решеток (8]. Рассмотрение полученных астигматических ГОЭ выходит за рамки настоящей диссертационной работы, посвященной полифункциональным ГОЭ. Поэтому отметим лишь, что использование рассмотренного выше голографического метода формирования сходящегося пучка лучей, ортогональных цилиндрической поверхности, обеспечило создание ГОЭ, пригодного для формирования эталонного волнового фронта в устройствах контроля формы цилиндрических поверхностей оптических деталей. Указанный ГОЭ характеризовался следующими параметрами: рабочая длина волны О.бЗмкм, фокусное расстояние - 100 мм. длина фокальной линии '5 мм, относительное отверстие 1:4. Форма формируемого с его помощью волнового фронта отличалась от идеальной цилиндрической на величину, не превышающую 0,16?,. результаты практического использования этого ГОЭ в схемах интерферометров будут рассмотрены в следующем разделе доклада. Здесь же отметим, что ноказанныевозможности использования полифункциональных ГОЭ в формирующих системах не ограничиваются задачей формирования сходящегося пучка лучей, ортогональных цилиндрической поверхности. Они могут быть также с успехом использованы при решении других задач, требующих применения сходящихся пучков лучей заданной структуры.

3. Интерферометр Тваймана-Грнна с полифункцкональным ГОЭ

Проведенная в рамках настоящей работы адаптация классических схем интерферометров Майкельсона и Тваймвна-Грина под использование полифункционального ГОЭ привела к созданию оригинальною интерферометра для контроля формы поверхности различных деталей, в том числе плоских, сферических, цилиндрических и т.д. [7,9]. Отличительная черта этого устройства заключается в использовании в нем внеосевого ГОЭ, выполняющего одновременно функции светоделмеля и формирователя эталонного волнового фронта (см. рис.3). Поясним реализуемый в нем ход лучей на примере устройства для контроля цилиндрических поверхностей оптических деталей. Пучок лучей, излучаемый лазером 1, расширяется с помощьюафокальной оптической системы 2 и направляется натчмограммный оптический элемент 3. ГОЭ делит падающий на него пучок на пучок лучей, ортогональных цилиндрической поверхности, восстанавливаемый в первом порядке дифракции, и на параллельный пучок, являющийся частью восстанавливающего ГОЭпучкалучей, прошедшей через нею в нулевом порядке дифракции. Этот пучок отражается от плоского зеркала 5 и в обратном ходе лучей восстанавливает в первом порядке дифракции пучок лучей, ортогональных цилиндрической поверхности. Таким образом, ГОЭ в рассматриваемом интерферометре формирует два пучка лучей, ортогональных цилиндрической поверхности, распространяющихся в противоположных направлениях. Один из них сходится в фокальную линию С, а другой расходится из нее. Деталь с контролируемой поверхностью 4 устанавливается в один из этих пучков, например, в пучок, сходящийся в фокальную линию С, так, что линия центров ее кривизны совмещается с фокальной линией С. Лучи, отраженные от контролируемой поверхности, распространяются в обратном направлении, проходят через ГОЭ в нулевом порадке дифракции и интерферируют с пучком лучей, расходящимся из фокальной линии С. Определение погрешностей формы контролируемой поверхности осуществляется по виду интерференционной картины, проецируемой на экран 7 с помощью оптической системы 6. Интерферометр макет бьпъ использован для контроля правильности формы как вогнутых, так и выпуклых поверхностей. Отметим, что одновременно и независимо от автора настоящей работы аналогичная схема интерферометра была предложена СЖСЬеп и ІВ.Вгескіпгісіде [39] для контроля формы параболических поверхностей оптических деталей.

Построенные по рассмотренной схеме интерферометры с полифункциональным ГОЭ могут быть выполнены как в виде отдельных приборов, так н в виде приставок к выпускаемым промышленностью автоматизированным автоколлимационным интерферометрам типа "ИКД-110", "Яудо" и т.д. Схема такой приставки представлена на рис.4 Здесь цифрой 1 обозначен основной блок интерферометра со снятым плоским ' галоном Выходящий из него параллельный пучок лучей направляется на ГОЭ 2. Пучок лучей, например, ортогональных цилиндрической поверхности, восстановленный в

Рис.1. Интерферометр Тваймана - Грина с полифункциональным ГОЭ первом порядке дифракции, направляется к контролируемой поверхности 3, установленной относительно его фокальной линии точно так же, как и в ранее рассмотренной схеме. Отраженный контролируемой поверхностью указанный пучок лучей вновь дифрагирует на структуре ГОЭ, восстанавливает с его помощью параллельный пучок лучей, который направляется к основному блоку интерферометра. Туда же направляется параллельный пучок, прошедший два раза ГОЭ в нулевом порядке дифракции и отразившийся от плоского зеркала 4. Картина интерференции этих параллельных пучков, содержащая информацию о форме контролируемой поверхности, может наблюдаться с помощью входящей в состав основного блока интерферометра системы отображения информации, а также может быть введена в компьютер для последующей ее обработки.

Возможности разработанных схем интерферометров с полифункциональным ГОЭ не ограничиваются контролем формы одного какого-либо вида поверхностей. На ее основе

- 14 может быть создан интерферометр, предназначенный для одновременного контроля правильности формы двух и более поверхностей различной формы. В качестве примера на рис.5 представлена схема интерферометра для контроля формы цилиндрических и сферических поверхностей. Принцип его действия подобен рассмотренному ранее. Отличие состоит лишь в том, что используемый в этом случае ГОЭ выполнен в виде трехмерной голограммы, полученной за две экспозиции с помощью одного и того же параллельного опорного пучка. Во время первой экспозиции осуществлялась голографическая регистрация пучка лучей, ортогональных цилиндрической поверхности, во время второй - гомоцентрического пучка. Полученный таким образом ГОЭ при его освещении параллельным пучком <3, совпадающим по направлению с опорным пучком, формирует одновременно два пространственно разделенных пучка лучей: один - пучок лучей, ортогональных цилиндрической поверхности, например, пучок А, другой -сходящийся гомоцентрический ггучок, например, пучок В. Пучок А используется для контроля формы цилиндрических поверхностей 3, а пучок В - для контроля правильности формы сферических поверхностей 4. Пространственное разделение пучков А и В и плоскостей наблюдения интерференционных картин 5 и 6 позволяет одновременно осуществлять контроль формы сферических и цилиндрических поверхностей с помощью одного и того же полифункционального ГОЭ.

Одновременное использование полифункционального ГОЭ в качестве светоделителя и формирователя эталонного пучка лучей позволяет не только упростить конструкцию и расширить функциональные возможности интерферометров, но и существенно снизить требования, предъявляемые к одному из их наиболее ответственных узлов -светоделителю. Покажем это на примере интерферометра Майкельсона. Анализ, выполненный Ю.В.Коломийцевым[40], свидетельствует о том, что в этом интерферометре деформации поверхностей светоделителя приводят к искривлению интерференционных полос, величина которого обусловлена возникающей при этом локальной дополнительной разностью оптическою пути интерферирующих пучюв. Эта разность, может быть описана следующими выражениями: здесь Дй^ &№~г - дополнительные разности оптического пути в меридиональной и сагиттальной плоскостях, соответственно; А,, кг - деформации первой и второй поверхностей светоделителя соответственно. Столь сильное влияние нешюскостности поверхностей светоделителя, особенно его первой поверхности, на качество формируемой интерференционной картины обуславливает предъявление к ней жесткого допуска, обычно лежащего в пределах 0,05-0,1 интерференционной полосы, как по местным, так и по общим ошибкам [40]. Иная картина наблюдается в представленном на рис.б интерферометре Майкельсона с полифункциональным ГОЭ. В нем излучение в обеих ветвях интерферометра проходит дважды через выполняющий роль светоделителя полифункциональный ГОЭ, и ни разу не отражается от него. Такой ад лучей обеспечивает существенно более низкую чувствительность наблюдаемой интерференционной картины

Рис.5. Схема интерферометра с полифункциональным ГОЭ для контроля цилиндрических и сферических поверхностей

Рис.6. Интерферометр Майкельсона с полифунщионапъным ГОЭ к качеству поверхностей светоделителя, т.е. полифункционального ГОЭ. При этом в случае равноплечного интерферометра с абсолютно плоскими зеркалами и равными по величине ушами падения пучков на ГОЭ указанная чувствительность к ошибкам поверхностей светоделителя отсутствует полностью. В худшем же случае наличие местных ошибок поверхностей светоделителя может обусловить следующую дополнительную разность оптического пути:

Сравнение выражений (3,4 и 5,6) свидетельствует о возможности, по крайней мере, 6 кратного снижения требований к первой поверхности светоделителя. Отметим, что качество самой пмограммной структуры ГОЭ при этом должно обеспечивать безаберрационное преобразование волновых фронтов, поскольку вносимые ею аберрации в рассматриваемой схеме интерферометра приведут к удвоенной дополнительной разности хода интерферирующих пучков. В качестве иллюстрации низкой чувствительности интерферометров Майкельсона с полифункциональным ГОЭ к правильности формы поверхностей его подложки на рис.7 представлена картина интерференции, полученная в интерферометре Майкельсона с полифункциональным ГОЭ со световым диаметром 30 мм. Этот пмограммный элемент представляет собой рельефно-фазовую эквидистантную решетку с пространственной частотой 200 мм"1, изготовленную на фотопластинке ПФГ-03 с толщиной подложки 2 мм. Ошибки формы его поверхностей характеризует шггерферограмма, представленная на рис.8. Она получена с помощью классического интерферометра Майкельсона, в одно из плеч которого был установлен ГОЭ, работающий на пропускание в нулевом порядав дифракции. Отметим, что снижение требований, предъявляемых к форме

Д^»0,6(А1 + А2),

Рис.Интерферограмма. полученная с помощью интерферометра Майкельсона с палифункционапъным ГОЭ

Рис.8. Интерферограмма, подученная с помощью традиционного интерферометра Майкельсона при установке ГОЭ в одно из его плеч поверхностей светоделителя, обуславливает существенное снижение стоимости интерферометров при полном сохранении их потребительских свойств и функциональных возможностей. Интерферометры Майкельсона и Тваймана-Грина с полифункциональным ГОЭ в силу своей невысокой стоимости, простоты и удобства эксплуатации могут заменить устройства, построенные по классическим схемам, практически во всех областях их традиционного использования, в том числе и при контроле формы поверхностей различных деталей.

Подтверждением этому могут служить результаты опытной эксплуатации ма!«та интерферометра Тваймана-Грина с полифункциональным ГОЭ, предназначенного для контроля правильности формы цилиндрических поверхностей оптических деталей. Макет был изготовлен на базе формирующего эталонный волновой фронт ГОЭ[4, 5]. В ходе эксплуатации макета интерферометра, проведенной совместно со специалистами ЛОМО, была проверена правильность формы цилиндрических поверхностей пробных стекол и линз. Измеренные ошибки формы цилиндрических поверхностей пробных стекол лежали в пределах 0,3-0,6 интерференционной полосы [10]. Ошибки формы поверхностей линз достигали 6-7 интерференционных полос. Анализ полученных интерферограмм показал, что наиболее характерной ошибкой формы цилиндрических поверхностей является непрямолинейность их образующих, т.е. наличие конечного радиуса кривизны в главном сечении поверхности, ориентированном вдоль линии центров ее кривизны. Применение полифункциональных ГОЭ в интерферометрах типа Майкельсона и Тваймана-Грина обуславливает возможность сокращения до близкого к нулю минимума длины его плеч и отказа от плоского вспомогательного зеркала. Такая модернизация схемы интерферометра приводит нас к схеме топографического пробного стекла - интерферометра с переменной ценой полосы.

4. Топографическое пробное стекло н интерферометры на его основе

Голографическое пробное стекло по своим функциональным возможностям ближе всего к классическому интерферометру Ньютона, но отличается от него возможностью изменения эффективной рабочей дайны волны [11]. Конструктивно оно выполняется в виде стеклянной пластины с нанесенной на одну из ее поверхностей, которую в дальнейшем б>яем называть рабочей поверхностью, голограммной структурой. Форма рабочей поверхности пробного стекла, и вид нанесенной голограммной структуры определяются формой поверхности, принимаемой при контроле за базовую. При эксплуатации рабочая поверхность голографического пробного стекла располагается в непосредственной близости или накладывается на контролируемую поверхность и освещается пучком света, падающим со стороны его нерабочей поверхности. Оценка формы поверхности осуществляется, как и в традиционном интерферометре Ньютона, путем анализа интерференционных полос равной толщины, локализованных на рабочей поверхности пробного стекла. Принцип формирования этих полос рассмотрим на примере пробного стекла для контроля отклонений от плоскостности [11, 12, 41]. Обратимся к рис.9, иллюстрирующему ход лучей, реализуемый в воздушном зазоре толщиной Ь между параллельными рабочей поверхностью пробного стекла Нв и контролируемой поверхностью КП. Буквами Е^ на этом рисунке обозначен падающий под углом ф' иа границу раздела стекло-воздух параллельный пучок монохроматического излучения. После прохождения дифракционной структуры пробного стекла этот пучок преобразуется в веер пучюв, соответетвукшщх различным порядкам дифракции. На рис.9 представлены пересекающиеся в точке О поверхности пробного стекла лучи пучков, дифрагировавших в нулевой и ±1 порядки дифракции и отразившихся от контролируемой поверхности под углами ч*0, ч»+1, ц;, соответственно. При вторичном прохождении дифракционной структуры каждый из этих пучков вновь преобразуется в три пучка лучей, соответствующих указанным выше порядкам дифракции. При этом наблюдатель, смотрящий на рабочую поверхность пробного стекла вдоль указанного на рисунке направления 1, видит локализованную на ней картину интерференции двух пучков лучей. Пучка, дифрагировавшего в нулевой и -1 порядки дифракции при первом и втором прохождении рабочей поверхности пробного стекла, и пучка, дифрагировавшего в +1 и нулевой порядки дифракции. Для лучей этих пучков в соответствии с последовательностью дифрагирования введем обозначения [О, -1] и [+1,0]. Наблюдатель, смотрящий вдсшь направления 2, видит картину интерференции пучков [0, +1] и [-1,0], а смотрящий вдоль направления 3 видит суперпозицию трех пучков [-1, -1], [+1, +1] и [0, 0]. Наблюдаемый вдоль направления 3 случай трехлучевой интерференции практически идентичен случаю, описанному в работе [42]. Наибольший интерес для нас представляют картины, наблюдаемые вдоль направлений 1 и 2, близкие к классическим картинам полос равной толщины. Для интерференционной картины, образуемой пучками [0, -1] и [+1,0], условие образования светлой полосы в точке D рабочей поверхности пробного стекла может быть записано в виде:

-1,-1]

Рис.9. Ход лучей в воздушной зазоре между рабочей поверхностью пробного стекла и контролируемой поверхностью пВР+Ш + ЕО)-(АС+СО) = тК (7) де я - показатель преломления материала пробного стекла, а т = 0; +1; ±2;. • Отсюда с учетом уравнения дифракционной решетки получим: cosq>0 + —-—(¡U'smq>0 - cos2 ф0) cos mX, (8) где и - пространственная частота дифракционной структуры голографического пробного стекла № (8) получим выражение, описывающее цену интерференционной полосы Н, под которой условимся понимать минимальную величину изменения толщины воздушного зазора, . вызывающую деформацию интерференционной полосы, равную одному периоду интерференционной картины: "'Ф'" -------------— W ше XJ2 - цена интерференционной полосы классического интерферометра Ньютона; t/j - коэффициент трансформации цены деления интерференционной полосы, равный:

-.-!--(10) cos <р0 + ——— (Xv sin <p0 - cos2 <p0 )

C0S4»+I

Проведя аналогичные преобразования для интерференционной картины, наблюдаемой в створе указанного на рис.9 направления 2, получим:

-L--. (id - (Xv sin ф0 + cos2 q>0) - cos <p cos(|/,

Из (10) и (11) следует, что цена полосы пробного стекла полностью определяется параметрами X, vh q>0 и может бьггь изменена в широких пределах путем варьирования значений этих параметров. При этом максимальная цена полосы пробного стекла реализуется при малых пространственных частотах дифракционной структуры и при близких к нулю углах падения освещающего излучения на рабочую поверхность пробного стекла. Так при q>=0° и А.=0,5 мкм у голографического пробного стекла с пространственной частотой 150 мм-1 цена интерференционной полосы превышает 88 мкм и соответствует примерно 354 полосам классического интерферометра Ньютона.

Столь большая цена интерференционной полосы позволяет использовать голографическое пробное стекло при контроле не только полированных, но и шлифованных поверхностей. Реализуемый в голографических пробных стеклах механизм формирования интерференционной картины обуславливает отличный от случая традиционных пробных стекол характер зависимости цены интерференционной полосы от длины волны используемого излучения. При использовании традиционных пробных стекол увеличение рабочей длины волны, как известно, приводит к уменьшению чувствительности контроля. В случае же голографических пробных стекол увеличение рабочей длины волны обуславливает некоторый ее рост. Характер зависимости цены у=356мм':' у=500мм"' у=70аим"'

250Мм|'

0,45 <Х50' 0,55 0,60 0,65 ^мкм

Рис. 10. Зависимость цены интерференционной полосы от длины волны используемого излучения интерференционной полосы от длины волны излучения иллюстрируют приведенные на рис. 10 графики, построенные для случая нормального падения освещающего пучка лучей. ■ ■

До настоящего времени мы предполагали, что совместно с пробным стеклом используется бесконечно удаленный точечный источник монохроматического излучения. Проведенный анализ требований, предъявляемых к монохроматичности и угловым размерам используемого источника излучения, позволил сформулировать следующие условия возможности наблюдения интерференционной картины с помощью голографических пробных стекол:

Первое из них - неравенство (12) описывает максимально допустимую величину воздушного зазора А1тах, позволяющую наблюдать картину интерференции в случае использования источника (приемника) излучения, работающего в спектральном диапазоне &Х при средней рабочей длине волны X. Выражение (13) описывает связь допустимой ширины зазора й2тах от углового размера источника излучения. Отметим, что в (13) и - минимальное и максимальное значения коэффициента трансформации цены интерференционной полосы, обусловленные либо протяженностью источника излучения, либо непараллельностью освещающего пробное стекло пучка лучей. Выполнение неравенства (14) обеспечивает наблюдение двухлучевой интерференционной картины при использовании источника излучения с угловым размером ±у и угловым размером зрачка наблюдателя ±р в дифракционном сечении

2тах — пробного стекла. Результаты анализа приведенных выражений свидетельствуют о возможности работы с голографическими пробными стеклами при использовании обычных широко распространенных источников белого света. Например, трубка обычной осветительной неоновой лампы, располагаемой на расстоянии 2,5 метра от пробного стекла перпендикулярно его дифракционному сечению, является вполне подходящим источником света при работе с пробными стеклами с ценой интерференционной полосы ЮОмкм и менее.

До сих пор мы рассматривали пробные стекла лишь в качестве средства контроля отступлений от плоскостности. Однако, реализуемый в них принцип формирования интерференционной картины и изменения цены интерференционной полосы позволяет создавать пробные стекла, предназначенные для контроля сферических, цилиндрических и других поверхностей [13, 14]. Форма рабочей поверхности пробного стекла в этом случае должна с необходимой точностью, обычно равной 0,01-0,05 цены полосы, повторять форму базовой поверхности. Сама голограммная структура пробных стекол, предназначенных для контроля неплоских поверхностей, и условия ее освещения должны обеспечивать пренебрежимо малые, по сравнению с ценой полосы, вариации разности оптического пути интерферирующих пучков лучей в пределах апертуры пробного стекла при постоянной толщине контролируемого воздушного зазора. Этому требованию наиболее полно удовлетворяет дифракционная структура, представляющая собой безлинзовую Фурье-голограмму двух источников света, расположенных в одной плоскости с центром кривизны рабочей поверхности пробного стекла. Причем расположенных симметрично относительно центра кривизны. Источник света, применяемый при практическом использовании голографических пробных стекол с неплоскими рабочими поверхностями должен иметь ту же форму, с учетом допусков, рассмотренных выше, что и источники при записи голограммы, и должен располагаться в центре кривизны контролируемой поверхности.

Принцип формирования интерференционной картины, реализуемый в голографическом пробном стекле, может быть положен в основу ряда схем интерферометров [14-18]. В качестве примера на рис.11 представлена схема интерферометра для контроля формы сферических поверхностей. Поясним ход лучей в этом интерферометре. Параллельный пучок лазерного излучения с помощью объектива 01 преобразуется в пучок лучей, расходящийся из точечного источника С^ расположенного в центре кривизны контролируемой сферической поверхности детали КР. Указанный^ пучок лучей проходит через голограммную структуру пробного стекла и

Рис. 11. Схема лазерного интерферометра для контроля формы сферических поверхностей дифрагирует на ней. В результате голограммная структура формирует в -1 и +1 порядках дифракции пучки лучей, расходящиеся из мнимых изображений точечных источников С и С+1 соответственно. Первый из них падает на поверхность контролируемой детали КР, отражается от нее и преобразуется в случае идеальной формы контролируемой поверхности в пучок лучей, сходящийся в точку С г В эту же точку сходится пучок лучей, сформированный голограммной структурой в +1 порядке дифракции при ее освещении частью восстанавливающего пучка, прошедшей без дифракции через пробное стекло, отразившейся от контролируемой поверхности и вновь падающей на голограммную структуру. В результате на экране F с помощью объектива 02, оптически сопрягающего контролируемую поверхность с плоскостью наблюдения, мы можем наблюдать интерференционную картину, несущую информацию о вариациях толщины воздушного зазора между рабочей поверхностью полографического пробного стекла и контролируемой поверхностью КР.

Интерферометры на основе голографического пробного стекла могут выполняться в виде отдельных устройств, либо в виде приставок к выпускаемым промышленностью автоматизированным автоколлимационным интерферометрам. Указанные приставки представляют собой голографические пробные стекла, устанавливаемые в пучок лучей, выходящий из основного блока интерферометра, под углом, синус которого, равен половине синуса угла дифракции излучения на структуре пробного стекла. Такая ориентация пробного стекла позволяет обеспечить противоположность направлений распространения выходящего из основного блока интерферометра пучка лучей и пучюв, формирующих интерференционную картину. Контролируемая поверхность при этом располагается вблизи и параллельно рабочей поверхности пробного стекла. Эталон, входящий в состав интерферометра при этом не используется, поскольку функции светоделителя выполняет само голографическое пробное стекло. Применение описанных приставок в интерферометрах типа "ИКД-110" и "Zygo" позволяет в широких пределах изменять цену интерференционной полосы без смены входящего в состав интерферометра источника монохроматического излучения. Рассмотренные приставки не требуют внесения каких-либо изменений в штатную программу автоматизированной обработки интерферограмм за исключением замены реальной длины волны используемого излучения %0 на ее эффективное значение A(f равное: rae sinФд = 0,5 (15) sin Ф

Проверка работоспособности описанных схем интерферометров проводилась нами в ходе контроля формы поверхностей различных деталей. Результаты этой работы подтвердили возможность и эффективность использования голографических пробных стекол и интерферометров, построенных на их основе, для контроля формы шлифованных и полированных поверхностей, характеризующихся различными величинами коэффициента отражения. Диапазон измеряемых при этом ошибок формы поверхности определялся параметрами используемой дифракционной структуры и лежал в пределах от единиц микрометров до долей миллиметра. g<Po =

S-Q)Af+ОА,А2 +{0,5-S) fg<Pi =

А{Аг (B2Ct - Й,С2) + Ы22Й,С| - Ы\ВгС, la^a2(B1c1 + s,c,) - a2b7c1 - ' где A l = sin (я#). ), = cos (яЯ)> В, = sin (лS), В2 = cos (jlS), Cj = sin (я0, C2 = cos (nQ),

L = 0 / 2//.

В pe »vim .ire анализа выражений (21-24) было установлено, что:

1. С точки зрения контрольного канала телескопа голограммная структура может быть выполнена с любой формой профиля рельефа при соответствующем выборе его высоты, однако, с точки зрения минимизации потерь энергии в информационном канале телескопа, обусловленных наличием голограммной структуры, оптимальной является симметричная форма профиля рельефа, близкая к синусоидальной или чисто треугольной со скважностью 5 = 0,5.

2. Вариации высоты, либо других параметров формы профиля рельефа голограммной структуры в пределах апертуры главного зеркала телескопа приводят к появлению аберраций в контрольном и информационном каналах телескопа. При этом аберрации, вносимые в различные каналы телескопа, могут, в общем случае, отличаться друг от друта, как по знаку, так и по абсолютной величине.

3. Допустимый диапазон вариаций по апертуре главного зеркала дифракционной эффективности, а следовательно и допустимый диапазон вариаций высоты и формы профиля голограммной структуры при создании адаптивных телескопов должен задаваться с учетом допустимых величин аберраций, вносимых структурой в контрольный и информационный каналы телескопа. При этом следует учитывать, что с точки зрения вносимых аберраций оптимальной для использования в адаптивных телескопах также является форма профиля голограммной структуры, характеризующаяся скважностью 5 = 0,5. Отметим, что структуры с такой формой профиля рельефа вносят в контрольный и информационный каналы телескопа одинаковые по величине и знаку аберрации. Получаемая при этом величина деформаций волновых фронтов, выраженная в линейной мере, равна реализованному на поверхности главного зеркала диапазону изменений высоты рельефа.

6. Использование тонких слоев галогенидосеребряной фотоэмульсии для получения полнфункцноналъньга ГОЭ для адаптивных телескопов

Неблагоприятные условия эксплуатации полифункциональных рельефно-фазовых ГОЭ, входящих в состав датчиков волнового фронта, приводят к необходимости переноса их голограммной структуры в поверхностный слой материала главных зеркал телескопов [46]. Сочетание в технологическом процессе получения таких ГОЭ операций ионного травления и регистрации интерференционной структуры одновременно на всей апертуре крупногабаритного главного зеркала, либо на одной из его субапертур, существенно ограничивает возможность использования обычной для литографических технологий регистрирующей среды - фоторезиста ввиду его малой светочувствительности, составляющей величину порядка 10 мДж/см2. Необходимость обхода указанных ограничений привела к разработке двух возможных вариантов процесса получения требуемых ГОЭ. Один из них основан на использовании оригинального интерферометра с вспомогательным ГОЭ для последовательной записи на локальных участках апертуры главного зеркала телескопа единой сфазированной голограммной струкгуры[30, 31]. Второй вариант базируется на использовании галогенидосеребряной регистрирующей среды, примерно на два порядка более высокочувствительной, по сравнению с фоторезистом. Галогенидосеребряные фотоэмульсии при получении ГОЭ обычно используются в виде слоев толщиной 3-20 мкм. Применение таких толщин полностью оправдано при необходимости получения элементов с объемными свойствами. В рассматриваемом же случае излишняя толщина слоя фотоэмульсии нежелательна, поскольку может привести к искажению структуры ГОЭ в процессе его "мокрой" обработки и последующего ионного травления. Все это, а также отсутствие в доступной нам литературе сведений об использовании тонких, толщиной 1мкм и менее, слоев фотоэмульсии для регистрации ГОЭ привело к необходимости исследования голографических свойств таких слоев и возможности их использования для получения рельефно-фазовых ГОЭ.

При проведении этой работы в качестве объекта исследования были выбраны слои фотоэмульсии ПЭ-2 [47] толщиной от 0,1 до 10,5 мкм, нанесенные на стеклянные подложки размером 70x70 мм2 методами формования [48] и центрифугирования [29]. На полученных таким образом фотопластинках с помощью интерферометра с Не-Ые лазером регистрировались осесимметричные зонные структуры с пространственными частотами до 300 мм"1. Фотохимическая обработка голограмм была основана на избирательном задубливании желатиновой матрицы фотографического слоя. Она включала в себя проявление в проявителе ПРГ и дубящее отбеливание с последующим фиксированием полученных рельефных голограмм для полного удаления из слоя частиц галоидного серебра [32]. Полученные нами результаты исследования зависимости глубины рельефа от толщины регистрирующей среды свидетельствуют о прямо пропорциональной зависимости максимальной высоты получаемого рельефа Атах от толщины слоя фотоэмульсии Т, что объясняется постоянством объемной концентрации серебра в слое фотоэмульсии. Указанная пропорциональность может быть нарушена введением в процесс фотохимической обработки суперпропорционального усиления, увеличивающего массу металлического серебра в слое и повышающего степень задубливания желатиновой матрицы в процессе отбеливания. Использование серебряного усилителя в процессе обработки слоев толщиной от 0,1 до 1,5 мкм позволило практически в 2 раза повысить высоты рельефа получаемых структур и существенно изменило вид зависимости А / Т, обусловив повышение эффективности использования регистрирующей среды в процессе образования рельефа при уменьшении толщины слоя фотоэмульсии. При этом была выявлена возможность получения голограммных структур с высотой рельефа, близкой по величине к удвоенной толщине фотографического слся[32]. Такая возможность объясняется механизмом образования рельефа, включающим в себя перенос части желатиновой матрицы фотоэмульсии вдоль ее подложки от участков, в которых экспозиция была минимальной к участкам с максимальной экспозицией. Наличие

31. Корешев С.11., Образцов B.C., Тютчев М.В. Оособах формирования интерференционного поля для регистрации голограммныхруктур на поверхностях крупногабаритных зеркал. — Материалы конференцииран СНГ и Прибалтики "Голография -96", 1996. С.-Петербург,49.

32. Бруй Е.Б., Корешев С.Н. Особенности использования тонкихоев фотоэмульсии ПЭ-2 для получения низкочастотных рельефных голограммныхруктур. - Оптика иектроскопия, 1989, т.67. №3,685-688.

33. Корешев С.Н., Гиль С.В. О форме профиля низкочастотных рельефных голограммныхруктур, получаемых на тонкихоях фотоэмульсии ПЭ-2. - Оптика иектроскопия, 1990, т.68, №2,422-426.

34. Корешев С.Н., Кальницкая Т.Я., Губа Б.С. Об особенностях регистрации рельефных голограммныхруктур на тонкихоях фотоэмульсии ПЭ-2помощью импульсного лазера. Оптика иектроскопия, 1992, т.72, №5,1201-1205.

Использованные источники других авторов:

35. Case S.K. Coupled-wave theory for multiply exposed thick holographic gratings. -JOSA, 1975, v.65, №6, p.724-730.

36. Оптическая голография / Под ред. Г.Колфилда. - М.:Мир,1982, 73бс.

37. Справочник технолога оптика /Под ред. С.М.Кузнецова и М.А.Окатова. - Л. Машиностроение, 1983, 414с.

38. Blumei Т., Elssner К.Е., Kafka R., Schulz О., Vogel A. Absolute interferometric testing of cylindrical surfaces. - Proc. SPIE, 1994, v.2340, p.250-257.

39. Chen C.W., Breckinridge J.B. Holographic Twyman-Green interferometr. - Applied Optics, 1982, v.21, №14, p.2563-2568.

40. Коломийцов Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение.

- Л., : Машиностроение, 1976, 296с.

41. Jacquot P., Colonna de LegaX., Boone P.M. Common - path holographic interferometer for flatness testing. - SPIE Procc. "Optical Measurements and sensors for the Process Industries", 1994, p.125-135.

42. Makosch G., Jaerisch W. Mapping of optical surfaces wilh quarter wavelength fringes.

- Applied Optics, 1978, v. 17, No5, p. 744 -747.

43. Зуев B.C., Орлов Е.П., Сауткин В.А. Анализ возможности лазерного интерференционного контроля поверхности зеркала оптического телескопа. - Квантовая электроника, 1975, т.2, №1,78-98.

44. O'Meara Compensation of laser amplifier trains with nonline-ar conjugation techniques. - Optical engineering, 1982, v.21, p.243-251.

45. Ган. M.A., Ермаков Б.А., Еськов Д.Н., Захаренков В.Ф. и др. Проблемы фазирования крупногабаритногоставного адаптивного зеркала космического телескопа для астрономии. - Труды ГОИ, 1989, т.74, №208,42-54.

46. Gan М.А. and others. Mathematical and physical modeling of holographic testing scheme of telescope optical systems. - SPIE Procc., v.2108, 1993, p.281.

47. Кирилов Н.И., Васильева H.E., Егорова П.Н. и др. Новые особомелкозернистые прозрачные" фотоматериалы ПЭ-2 для голографии. - НВсесоюзная конференция по голографии. Тезисы докладов, 1975,37-38.

48. Денисюк Ю.Н., Загор^^.А., Нижин А^^Шевченко С.Б. Способ изготовленияеточувствительногооя дЯРэлографии. аЩКид. №951224. - Бюл. изобр., 1982, №30, 177.

49. Джеймс Т.Х. Теория фотографического процесса. - J1., : Химия, 1980, 110-150.

50. Андреев Р.Б., Калинцев А.Г., Каминский C.B., Соме Л.Н. Компенсация искажений формирующего телескопасоставным зеркалом и дифракционным оптическим элементом на нем. - Квантовая электроника, 1994, т.21, №4,391-393.