Способ записи метрологических голографических решеток

П 9) ( 7 О 51)4 С 02 В ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ т ядерноиова енк 1971,дга 1 пц982,элементом ис точника 1 относите ода муаровых полос лона вспомогательн отношению к штрихаоноситель 18 ре ки ошибки, вызв ьн И(54) СПОСОБ ЗАПИ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ (57) Изобретени онной измерител ляет повысить т яют угол на КИХ МЕТР ОЛЕТОК решетки 1записываемтки для ко и фот ров и к п относитсой техни нно ектами позво направляю л ность записи и ув(53) 4013874/24-1014. 01. 8630.07.87. Бюл, У 28Ленинградский инстити им. Б.П. КонстантиВ.П. Горелик, С.Н. КТурухано535.853.31(088.8)Оптика и спектроскопвып. 3, с. 550.с 1 еу М.С. П 1 Й 2 гасс 3.оог)с. Асайешас Ргезз,2-304. личить размеры записываемои решетки.Освещением вспомогательной решетки16 одновременно двумя источниками 1и 6 когерентного излучения с длинамиволн соответственно 3 и 3 получаютза фотоносителем 18 систему прямолинейных муаровых полос. Измерением фо -тодатчиками 20 - 24 разности фаз вкартине муаровых полос определяютошибки записи метрологической решетки.Коррекция этой ошибки осуществляетсяизменением времени задержки сигналов управления модулируюИзобретение относится к прецизионной измерительной технике и можетбыть использовано при создании крупноразмерных высокоточных метрологичес 5ких дифракционных решеток.Цель изобретения - повышение точности и увеличение размеров записываемой решетки,На фиг, 1 изображена оптико-электронная схема устройства записи метрологических голографических решетокв реальном времени; на Фиг. 2 - схемаразмещения фотодатчиков в поле муаровых полос. 15Оптико-электронное устройство дляреализации предлагаемого способа состоит (Фиг, 1) из источника 1 когерентного излучения длиной волны 3 исвязанных с ним модулирующего элемен-,0та 2, первого коллимирующего устройства, состояЩего из линз 3 и 4, и полу,прозрачного зеркала 5; непрерывногоисточника 6 когерентного излученияддиной волныи связанных с 25гним полупрозрачного разделительногозеркала 7, отклоняющих зеркал 8 и 9,второго коллимирующего устройства,состоящего из линз 10 и 11, модулирующего элемента 12, поворачивающего ддзеркала 13 и третьего коллимирующегоустройства, состоящего из линз 14 и15; вспомогательной решетки 16 и связанного с ней пьезокерамического элемента 17; Фотоносителя 18, работающего в реальном времени и чувствительного к длине волны 3, и жесткосвязанного с ним обычного фотоносителя 19, чувствительного к длинефотодатчиков 20-24, электронного фазометрического устройства 25, вырабатывающего сигналы управления модулирующиии элементами; и электронногофазометрического устройства 26, вырабатывающего сигналы, управляющие пьезокерамическим элементом,Способ осуществляют следующим образом.Предварительно записанную решетку,жестко связанную в линию с неэкспонированным фотоносителем 18, непрерывно перемещают по направляющим относительно фиксированной индикаторной решетки, систему из этих двух решетокосвещают непрерывным когерентным источником 6.света, а образующуюся навыходе решеток систему бегущих муаровых полос преобразуют Фотодатчиками20-24 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 который предварительно экспонируют спомощью когерентного источника 1 длиной волны 3 ограниченный участок1фиксированной вспомогательной решетки 16, совмещающей функции индикаторной и экспонируемой решеток, предварительно записанную и вспомогательнуюрешетки дополнительно освещают непрерывным когерентным источником 6света длиной волны , позволяющим пропроизводить недеструктивное считывание в реальном времени системы бегущих муаровых полос, и осуществляют путем измерения разности фаз Фотодатчиками 20-24 в картине этих полос определение ошибки записи метрологическойрешетки и ее коррекцию в процессе записи путем изменения времени задержкисигналов управления модулирующим элементом 2 источника 1 с 1, относительно среднего периода муаровых полос иршибки, вызванной дефектами направляющих, и ее коррекцию в процессе записи путем изменения угла наклона вспомогательной решетки 16 по отношениюк штрихам решетки, записываемой на фотоноситель 18,Сущность способа состоит в следующем.Вспомогательную решетку 1.6 освещают одновременно двумя пучками светасиним (3) и красным ( Л ). При этомсиний (3) копирует в реальном времени решетку на Фотоноситель 18, а.красный (1) считывает записанную наФотоносителе решетку непосредственново время копирования, За фотоносителем в красном свете образуется система. прямолинейных муаровых полос.Ясли переместить Фотоноситель 18 точно на период решетки 16 и снова осветить ее синим светом (,), то восстановится исходная картина муаровых полос, а длина скопированной решеткиувеличится на длину периода. Равномерно перемещая Фотоноситель 18 и периодически открывая источник 1 синего света (3,) только при смещении напериод, можно последовательно перезаписать ограниченный участок решетки3одинаковой интенсивности, перпендикулярные штрихам решетки (параллельные направлению движения). Поэтому если расположить Фотодатчики 21-24 в линию и перпендикулярно штрихам вспомогательной решетки (фиг. 2), то разность фаз между синусоидальными сигналами этих Фотодатчиков будет равна О. Сигналы с фотодатчиков 21-24, поступая в электронное Фазометрическое устройство 25, вырабатывающее сигналы управления мадулирующим элементом (оптическим затвором) 2, открывают затвор только н момент прохождения через фотодатчики муаровой полосы, т.е. каждый раз точно при смещении на период. Таким образом, использование стробаскопическага эффекта позволяет записывать в реальном времени на перемещающийся Фатоноситель 18 протяженную метрологическую решетку путем последовательного и многократного экспонирования ограниченного участка вспомогательной решетки 16. При этом вначале считывается и одновременно перезаписывается предварительно записанный участок. В дальнейшем осуществляется считывание и перезапись ранее записанных участков.На точность записываемой метрологической решетки влияют дефекты, присущие механической части устройства и приводящие к изменению расстояния и взаимного расположения вспомогательпой и записываемой решеток, а также погрешность электронного тракта, вызывающие появление местных и прогрессивных ошибок. Наличие ошибок записываемой решетки приводит к искривлению муаровых палас (Фиг. 2),т.е. к отклонению их ат прямолинейных. При этом величина локальной ошибки В (Ошибки в данной точке) определяется отклонением центра искривлечной полосы ат средней прямолинейной в данной тачке. В случае бегущих муаровых полос наиболее точное (с точностью порядка 27,100) определение локальной ,Ошибки обеспечивается Фазовыми измерениями. В конкретном примере электронным фазометрическим устройством25 измеряются разности Фаз между фотадатчиками 21-22 (ДФ 2,.22 ); 22-23 (1 Ф 2 25 ), 23-24 (ф 2 ь 2) ф вычисля ется средняя разность Фаз решетки; освещенная когерентным светом ,с длиной волны Д 2,образует картину муаровых полос, в поле которых размещены фотадатчики 20-24, На втором этапе фотонасители 18 и 19 перемещаются с постоянной скоростью относительно фиксированной вспомогательной решет 45 ки 16 в направлении, перпендикулярном ее штрихам. Перемещение фатанасителя 18 приводит к появлению картины бегущих муаровых полос, причем перемещение муаровой.полосы на период со ответствует перемещению на период . предварительно записанной решетки. Бегущие муаровые полосы преобразуются Фатадатчиками в электрические сигналы синусаидальной формы. В случае 55 когда вспомогательная 16 и предварительно записанная на Фотоносителе 18ф 2-И 1 фиЗ+2 22 х 2 решетки идеально равномерные, муаровые полосы представляют собой полосы 13270 16 на всю длину Фотоносителя. В случае появления ошибки копирования, связанной с изменением периода, муаровые полосы изменяют снаю Форму, .С помощью.5 Фазометрическага устройства 25 определяют величину этих изменений, а слеДовательно, и величину изменения периода и открывают источник 1 синего света с задержкой, равной измерен ной величине, Эта позволяет скорректировать в реальном времени возникающие ошибки периода. На первом этапе способа пучок коллимированнога света длиной волны 3, проходя через 15 вспомогательную решетку 16 пад углом Брегга, записывает ее в реальном времени на непадвижньгй Фотаноситель 18, чувствительный к этой длине волны. Запись в реальном времени позволяет получить точную копию ограниченного участка вспомогательной решетки 16 на Фотанасителе 18 непосредственно в процессе экспозиции без дополнительной последующей химической обработки. Не-. 25 модулированный пучок света длинойсколлимирананный линзовой системой 10 - 11, направляется под углом Брегга через вспомогательную решетку 16 на предварительно записанный участок метрологической решетки. Длину волны 3 выбирают такой, чтобы фатонаситель, работающий в реальном времени, был не чувствительным к ней. Эта позволяет производить недеструктивнае считывание предварительно записанной решетки. Комбинация вспомогательной и предварительно записаннойсоответствующая средней прямолинейной муаровой полосе, и определяетсявеличина локальной ошибки в точкефотоприемника 23 1327037 бмой решеток и, как следствие, к изменению пространственного периода муаровых полосВеличина аф, характеризует интервал времени задержки между временем прохождения через линейку фотодатчиков 21-24 средней прямолинейной полосы, соответствующей идеально равномерной решетке, и временем прохождения реальной искривленной полосы с локаль. ной ошибкой д через фотоприемник 23. 1 Измеренная таким способом величина Дф. с обратным знаком подается на модулирующий элемент 2, изменяя время его запуска относительно центра средней прямолинейной полосы и ком пенсируя локализованную и измеренную ошибку записи.Предлагаемый способ позволяет ло" кализовать,измерить и в реальном вре)мени скорректировать ошибки, возни кающие в процессе записи решетки, обеспечивая полное выполнение принципа стабилизации периода решетки и позволяя стабилизировать период с тоЧностью до величины погрешности о.". ределения локальной ошибки.Так,при использовании решетки с периодом д = 1 мкм, расстоянии между Фотодатчиками1 = 10 мм и средне- квадратической ошибке фазовых измерений 6 = 2 й/100 ошибка стабилизации составит й = 0,01 мкм на длине 40 мм или Л = 0,05 мкм ня длине 1 м.Точность фазовых измерений прак - тически полностью не зависит от вли. яния амплитудных Факторов изменения интенсивности источников излучения, ,измеиения дифракционной эффективност записываемой решетки, рассеянного света и т.д.), а также скорости пере мещения муаровых полос, т.е. от скорости перемещения решетки.Кроме того, на точность записыва емой решетки влияют дефекты направля ющих, приводящие к изменению углов 5 О наклона записываемых штрихов по длине, т.е. к нарушению взаимной параллельности штрихов, приводящей при использовании такой решетки в датчиках линейных перемещений к появгению пог решности Аббе, Дефекты направляющих приводят к изменению углов наклона штрихов вспомогательной и записываегде П - период муаровых полос;Й - период решеток;- угол между штрихами решеток.Стабилизация периода муаровых полос, а следовательно,и сохранение взаимной параллельности штрихов записываемой решетки в предлагаемом способе осуществляется путем стабилизации разности Фаз между фотодатчиками 20-21, расположенными строго вдоль штрихов решетки. Изменение угла при-. водит только к изменению разности Фаз уфо , сохраняя неизменными разффф4 Кривизна муаровых полос не оказывает влияния на Й 1 ФОВ том случае если фотодатчики расположены строго вдоль штриха решетки, так как период муаровых полос не меняется вдоль направления штрихов решетки. Вконкретном примере разность Фаз д Ф, измеряется электронным фазометрическим устройством 26,которое вырабатывает сигналы управления пьезокерамическим элементом 17,.изменяющим угол наклона штрихов вспомогательной решетки 16 относительно записываемой путем поворота первой. Таким образом, введение второго контура стабилизации фотодатчи" ков 20-21, фазометрического устройства 2 б и пьезокерамического элемента 17 позволяет стабилизировать угол наклона между штрихами вспомогательной и записываемой решеток и сделать его некритичным к влиянию дефектов направляющих.Предлагаемый способ позволяет с подошью двух контуров стабилизации осуществить запись на фотоноситель, работающий в реальном времени протяженной высокоточной решетки. Однако пригодные для этой цели фотоматериалы обладают сравнительно низкой дифракционной эффективностью (9 - 107). С целью повышения дифракционной эффективности в конкретном нримере используют жестко скрепленный с Фотоносителем .18, работающим в реальном времени, обычный фотоноситель 19 позволяющий достичь на длине волны Ь высокой дифракционной эффективности (1807). При этом метрологи 1327037ческая решетка записывается параллельно и одновременно и на обычныйфотоноситель 19 с помощью источника6 излучения длиной волны 3. , модУлирующего элемента 12, подключенногопараллельно к модулирующему элементу2, коллимирующей системы 14 - 15,формирующей параллельный пучок модулирующего света, копирующего участок 10вспомогательной решетки 16 на перемещающийся фотоноситель 19,Предлагаемый способ был реализован в устройстве, состоящем из подложки с материалом, работающим в реальном времени, в качестве которогоиспользовали диазосоединение ДП,жестко скрепленной с подложкой изобычного фотоносителя ПЭ, Данноедиазосоединение обладает спектральной чувствительностью к коротковолновой части спектра( 0,5 мкм и практически полностью нечувствительно кдлинноволновой0,6 мкм.В качестве источника когерентного излучения, осуществляющего запись в реальном времени, использовали гелийкадмиевый лазер ЛГс длиной волны= 0,44 мкм, а в качестве источника недеструктивного считывания - ге- ЗОлий-неоновый лазер ЛГс длинойволны Д = 0,63 мкм. В качествевспомогательной решетки использовалиголографическую решетку периодом Й =- 1 мкм и длиной Ь = 40 мм, к торцу35которой приклеивали пьезокерамическийэлемент ЦТС, позволяющий поворачивать вспомогательную решетку наугол ц = +1, Пучки лазерного светамодулировали механически с помощьювысокочастотных реле РЭС, позволяющих работать на частотах до 200 Гц.На первом этапе записи коллимированный пучок света длиной волны=0,44 мкм, проходя через вспомогательную решетку под углом Брегга8 = 12,7, копировал ее на диазосоединение. Одновременно коллимированный пучок света длиной волны0,63 мкм, проходя под углом Брегга8 = 18,4 через вспомогательную решетку и решетку, записываемую в реальном времени на диазосоединение,образовывал систему муаровых полос,в поле которых размещали 5 фотодио 55дов ФВк, четыре из которыхрасполагали в линию, перпендикулярную .штрихам решетки, а пятый - параллельно штрихам решетки. Расстояние между всеми фотодиодами 1 = 10 мм. На втором этапе записи подложки с фотоноси-. телями перемещали с постоянной скоростью 7 = 50 мкм/с относительно фиксированной вспомогательной решетки, что приводило к перемещению муаровых полос. Сигналы с фотодиодов поступали в электронные фазометрические устройства, включающие коммутатор, селективные усилители У 2-6, фазометр ф ф 2-16, устройство формирования импульсов запуска реле и высоковольтный усилитель напряжения, управляющий:пьезокерамикой. Одновременно с записью решеткй на диазосоединение ЭПвели параллельную запись на фотопластинку ПЭ, В результате была записана метрологическая голографическая решетка длиной Ь = 80 мм. Полная ошибка Д ( 0,5 мкм, дифракционная эффективностьЗОБ,Формула изобретенияСпособ записи метрологических голографических решеток, заключающийся в том, что предварительно записывают решетку, жестко связанную в линию с неэкспонированным фотоносителем, непрерывно перемещают их по направляющим относительно фиксированной индикаторной решетки, систему из этих двух решеток освещают непрерывным когерентным источником света, а образующуюся на выходе решеток систему бегущих муаровых полос преобразуют по крайней мере одним фотодатчиком в последовательность электрических сигналов, которые управляют модулирующим элементом второго когерентного источника, освещающего фиксированную экспонируемую решетку, последовательно экспонируя ее на перемещающийся фотоноситель, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и увеличения размеров записываемой решетки, в качестве фотоносителя используют фотоматериал, работающий в реальном времени, предварительную запись решетки на него осуществляют с помощью когерентного источника с мо-. дулирующим элементом и с длиной волны 7 путем экспонирования ограниченного участка фиксированной вспомогательной решетки, совмещающей функции индикаторной и экспонируемой решеток, предварительно записанную и вспомогательную решетки освещают неСоставитель В. КравченкоТехред Л.Сердюкова Корректор В. Гирняк Редактор А. Лежнина Заказ 3385/42 Тираж 521 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 9 1327037прерывным когерентным источником све- мени задержки сигналов управления та длиной волны 3, позволяющей про- модулирующим элементом источника с д изводить недеструктивное считывание относительно среднего периода муаросистемы бегущих муаровых полос, и вых полос и ошибки, вызванной дефекбосуществляют путем измерения разноститами направляющих, и ее коррекцию фаз фотодатчиками в картине этих по- в процессе записи путем изменения углос определение ошибки записи метро- ла наклона вспомогательной решетки логической решетки и ее коррекцию в по отношению к штрихам решетки, за.процессе записи путем изменения вре-".1 О писываемой на фотоноситель,