eng
Выпуск #4/2014
А.Белозёров, Н.Ларионов, А.Лукин, А.Мельников
Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Часть I
Осевые синтезированные голограммные оптические элементы: история развития, применения. Часть I
Просмотры: 6953
Рассмотрены этапы развития технологии изготовления осевых синтезированных голограммных оптических элементов и области их применения в оптическом производстве и приборостроении, в частности для контроля асферических поверхностей, для контроля юстировки центрированных многокомпонентных оптических систем, включая двухзеркальные системы оптических телескопов типа Кассегрена и Ричи-Кретьена. Представлено оборудование для изготовления осевых синтезированных голограммных оптических элементов.
Теги: alignment of centered multicomponent optical system aspherical surface computer-generated hologram optical element manufacturing technology асферическая поверхность синтезированный голограммный оптический элемент технология изготовления юстировка центрированной многокомпонентной оптической системы
Осевые синтезированные голограммные оптические элементы (СГОЭ) – важная составляющая элементной базы современного оптического и оптико-электронного приборостроения. Они выполняют функции либо образцовых оптических элементов и компенсаторов (контрольно-диагностическая аппаратура), либо силовых оптических элементов (лазерная оптика, корректоры хроматических аберраций). Применение современной аппаратуры различного назначения, содержащей СГОЭ резко возросло. Это – фото- и видеооптика, контрольно-юстировочные установки, оптические системы записи и считывания цифровой информации, оружейные прицелы. Расширился рабочий спектральный диапазон, увеличились объемы изготовления аппаратуры и ее номенклатура. Оказалось, что использование СГОЭ расширяет горизонты оптико-физических измерений в экспериментальной газодинамике – в области теневых и интерференционных приборов визуализации газовых потоков в аэродинамических трубах и баллистических трассах в рабочем поле размером до 1000 мм. Использование СГОЭ открывает новые возможности создания объективов коллиматоров диаметром 400–1000 мм и относительным отверстием до 1:2.
Прослеживая историю развития осевых СГОЭ, можно условно разделить ее на три этапа. В рамках первого этапа были сформулированы и подтверждены экспериментально основополагающие принципы преобразования волновых полей с помощью осевых дифракционных структур (О.Френель, 1816 год; Д.Рэлей, 1871; Ш.Сорэ, 1875).
Второй этап, в целом, связан с пионерскими работами Р.Вуда [1]. Он, фактически, изготовил первую рельефно-фазовую бинарную голограмму с высокой дифракционной эффективностью в тонком прозрачном слое желатины, нанесенном на стеклянную подложку. Толщина слоя (после экспонирования и проявления) обеспечивала сдвиг фазы на величину π между соседними френелевскими зонами.
На третьем этапе были разработаны новые технологии получения СГОЭ. Они обеспечили этим элементам широкое применение на практике в оптической технологии и в оптико-электронном приборостроении. Важнейшими достижениями этапа стали демонстрация возможностей, определение целесообразности и обоснование условий предпочтительного применения осевых СГОЭ. Элементы начали использовать для контроля асферических поверхностей и юстировки центрированных оптических систем, в частности двухзеркальных телескопов, в том числе космического базирования. В первых работах, зарубежных и отечественных, были рассмотрены разнообразные пути синтеза элементов. В работах [2, 3] описаны варианты применения осевых синтезированных голограмм, в [4] – внеосевых, синтезируемых методом Ломана (A.W.Lohmann), в том числе описаны СГОЭ, созданные методом фотолитографии с фотографическим уменьшением расчетного голографического поля, были представлены результаты исследований образцов демонстрационных элементов – киноформов [3]. К пионерским работам, в которых была продемонстрирована возможность и показана целесообразность применения синтезированных голограмм для контроля асферических поверхностей (АП), относятся работы по внеосевой голографии [4] и по осевым голограммам [2, 5–8].
Следует отметить, что расчет внеосевых голограмм занимал значительно (на несколько порядков) больше весьма дорогостоящего в те годы машинного времени на электронно-вычислительных машинах, чем расчет соответствующих осевых голограмм.
Дальнейшая история развития дифракционной оптики подтвердила несомненные преимущества осевых СГОЭ, к которым относятся простота их расчета, изготовления и аттестации. Осевые СГОЭ оказались более предпочтительны для практики оптического и оптико-электронного приборостроения. В настоящее время в качестве образцовых оптических элементов и оптических компенсаторов используются исключительно осевые СГОЭ.
Расчет осевых СГОЭ основан на представлении о "дифрагировавшем" луче. Полагаем, что теорема Малюса-Дюпина и обратная теорема Леви-Чивита, сформулированные для случаев отражения и преломления света, справедливы также и для дифрагированных лучей [9]. В обобщенном виде обе эти теоремы целесообразно изложить в виде: "Два любых геометрических волновых фронта (две любые волновые поверхности) можно перевести друг в друга с помощью одного отражения, преломления или дифрагирования". Однако отсутствие выполнения условия таутохронизма в данном случае предполагает очевидные трудности реализации принципа Гюйгенса-Френеля. Прежде всего, это касается понятия "волновой фронт", который в данном случае следует понимать только как поверхность, ортогональную к дифрагированным лучам ("геометрический" волновой фронт). "Платой" за это являются высокие требования к монохроматичности используемого источника излучения. Задача расчета СГОЭ состоит в том, чтобы определить координаты полос (колец) интерференционной картины, которая образовалась бы в плоскости голограммы в результате суперпозиции объектной и опорной волн, заданных аналитически [9, 10]. Для расчета синтезированных голограмм используется выражение
Δlm (ρ) = λ (m ± 1/2Q), (1)
где Δlm(ρ) – разность оптического пути опорной и объектной волн на краях m-й интерференционной полосы, λ – рабочая длина волны, Q – скважность (соотношение между периодом повторения и шириной полосы (штриха) отображаемой интерференционной картины). При расчете синтезированной голограммы находят координаты краев ρ±m каждой m-й интерференционной полосы.
В начале 60-х годов XX века в Государственном институте прикладной оптики (ГИПО) – тогда казанском филиале Государственного оптического института им. С.И.Вавилова – под руководством Камиля Сабировича Мустафина были начаты исследования по созданию технологий получения СГОЭ. Целью было решение на основе ее разработки проблемы контроля асферической оптики и ряда задач крупногабаритного оптического приборостроения. Важная научно-методическая роль в становлении и развитии этого направления в ГИПО принадлежит академику РАН Юрию Николаевичу Денисюку.
Особо следует отметить, что в ГИПО изначально были опробованы два метода изготовления осевых СГОЭ – с помощью сфокусированного светового пучка и методом "резца". Практика показала, что метод "резца" в технологии изготовления СГОЭ имеет ряд существенных преимуществ (по пространственной частоте, размерам и др.). Существенным фактором, благоприятно повлиявшим на развитие метода, стало наличие в ГИПО замкнутого технологического цикла изготовления нарезных дифракционных решеток с собственными участками заточки алмазных резцов, вакуумного напыления тонких металлических отражательных слоев и опытом эксплуатации классических делительных машин.
В ГИПО самая первая синтезированная голограмма была изготовлена в 1969 году на токарном станке с помощью победитового резца треугольного профиля [5]. Расчетная ширина кольцевых френелевских зон в данном случае обеспечивалась соответствующим "углублением" резца в подложку из алюминия, плоская рабочая поверхность которой была предварительно сформирована на том же станке. Ее максимальная пространственная частота 30 мм–1, дифракционная эффективность ~3% (амплитудная голограмма). Расчет структуры этой голограммы тогда производился вручную с помощью арифмометра "Мерседес".
Создание основного технологического оборудования для изготовления СГОЭ в ГИПО началось в конце 1960-х годов с разработки макета делительного устройства, основанного на использовании алмазного резца. Макет имел горизонтальную ось вращения шпинделя для крепления подложки СГОЭ (рис.1). Резцедержатель с помощью пластинчатой пружины и электромагнита обеспечивал нанесение кольцевых штрихов на алюминированную рабочую поверхность подложки СГОЭ. В этом макете и в последующих поколениях круговых делительных машин был реализован принцип "несущей" пространственной частоты. То есть каждую расчетную непрозрачную (неотражающую) зону голограммы отображала группа "элементарных" непрозрачных зон с постоянным шагом, создавалась "несущая" пространственная частота – эквивалент "несущей" в радиофизике (рис.2) [7].
Дальнейшее развитие названных технологий обеспечило возможность получения рельефно-фазовых бинарных СГОЭ с дифракционной эффективностью до 40 % путем удаления этих "элементарных" зон [10].
В середине 1970-х годов ГИПО и Ленинградское оптико-механическое объединение (ЛОМО) совместно спроектировали и изготовили круговую делительную машину МДА-9 для нарезания СГОЭ диаметром до 230 мм (рис.3), защищенную авторским свидетельством на изобретение "Делительная машина" [11]. В конструкции машины МДА-9 ось вращения шпинделя для крепления подложки СГОЭ ориентирована вертикально. Круговая делительная машина МДА-9 управлялась логическим электронным блоком со старт-стопным считывающим устройством; носитель информации – бумажная перфолента с данными о координатах опускания и подъема алмазного резца.
В конце 1990-х годов в ГИПО была создана круговая делительная машина МДА-10 на основе использования пьезоэлектрического привода продольного перемещения делительной каретки (рис.4). Управление процессом нарезания структуры СГОЭ здесь осуществлялось с помощью персонального компьютера. Машина МДА-10 позволяет изготавливать круговые СГОЭ диаметром до 230 мм и пространственной частотой до 2000 мм–1 на подложках с плоскими и выпуклыми рабочими поверхностями, а также – цилиндрические СГОЭ размерами до 70×100 мм. Погрешность формирования заданной волновой поверхности до 0,05 λ, где длина волны λ = 633 нм, при наибольшей пространственной частоте до 100 мм–1.
Ранее, в самом начале 1990-х годов, в ГИПО была разработана круговая делительная машина МДГ-500 для нарезания СГОЭ диаметром до 500 мм, два образца которой были изготовлены на заводе "Арсенал" (Киев). Одна из этих машин (рис.5) в 1993 году была поставлена в ГИПО. В настоящее время она модернизируется для изготовления СГОЭ диаметром до 600 мм.
Также были разработаны методы контроля оптического качества осевых СГОЭ [9, 10], основанные на использовании:
•измерительного микроскопа и контрольных колец;
•вспомогательной (аттестующей) синтезированной голограммы с учетом погрешностей подложки и нанесения штриховой структуры.
Необходимо было обеспечить отечественному оптическому производителю возможность создавать оптические детали с асферическими поверхностями. Поэтому в ГИПО на протяжении нескольких десятилетий вели исследования по созданию методов и средств контроля таких поверхностей. Результатом стала разработка на основе использования СГОЭ целого ряда базовых оптических схем для контроля качества оптических асферических поверхностей в процессе их формообразования, а также контроля качества линзовых оптических систем на промежуточных и финишной стадиях их сборки (рис.6).
Некоторые из них использовались для контроля асферических поверхностей на оптических предприятиях отрасли: Казанском оптико-механическом заводе (Казань), Новосибирском приборостроительном заводе (Новосибирск), заводе "Арсенал" (Киев), Лыткаринском заводе оптического стекла (Лыткарино, Московская область), Ленинградском оптико-механическом объединении (Санкт-Петербург), в Научно-исследовательском институте комплексных испытаний оптико-электронных приборов (Сосновый бор, Ленинградская область) и Государственном оптическом институте им. С.И.Вавилова (Санкт-Петербург). Для практической реализации этих схем контроля в ГИПО были разработаны специальные установки – голографические асферометры типа АГ-2, АГ-3, АГ-4 и АСГ, несколько экземпляров были изготовлены и поставлены на ряд предприятий отечественной оптической промышленности. На основе этих установок в Центральном конструкторском бюро "ФОТОН" (Казань) были разработаны для серийного производства приборы ИФК-451 и ИФК-454, которые выполняют функции описанных выше установок типа АГ и АСГ. Голографический асферометр ИФК-451 является переносным и предназначен для бесконтактного контроля с интерферометрической точностью оптических поверхностей второго и высшего порядка с диаметрами до 12000 мм для вогнутых и до 500 мм для выпуклых оптических деталей. Универсальная голографическая установка ИФК-454 является стационарной и предназначена для контроля:
•формы асферических поверхностей любого порядка со световым диаметром до 150 мм, асферичностью до 3000 мкм, градиентом асферичности до 30 мкм/мм, погрешность контроля 0,03 мкм;
•формы и измерения радиусов кривизны сферических и цилиндрических поверхностей со световым диаметром до 200 мм и диапазоном радиусов кривизны от ± 100 до ±100000 мм.
Практические примеры представлены интерферограммами и элементами СГОЭ с их краткими основными характеристиками (рис.7–9). Тот факт, что в 1981 году на Лыткаринском заводе оптического стекла специалистами ГИПО был проведен контроль вогнутого параболического зеркала диаметром 2,6 м на основе использования осевого СГОЭ разработки ГИПО, подтверждает успех внедрения в производство голограммных оптических элементов. Но эти примеры не ограничивают круг задач, решаемых с помощью осевых СГОЭ. Наряду с ними данный класс голограммных оптических элементов также используется для контроля величины децентрировки линз [10], для измерения радиусов кривизны r сферических и цилиндрических поверхностей оптических деталей, в виде киноформов, для визуализации газовых потоков в аэродинамических трубах и баллистических трассах, для "расширения" и "сжатия" рабочей спектральной области.
Погрешность контроля величины децентрировки линз не превышает 10 мкм. При контроле с помощью СГОЭ радиусов кривизны сферических поверхностей пробных стекол [12] (диапазон измерений радиусов кривизны r от ±250 до ±100 000 мм) обеспечивается погрешность по 1-му классу точности (ГОСТ 2786-82 "Стекла пробные для проверки радиусов и формы сферических оптических поверхностей. Технические условия"). Это позволяет оценить предельное отклонение радиусов кривизны с величиной ±0,02% в диапазоне их номинальных значений от 250 до 1000,0 мм (включительно) и с величиной (±0,02 r / 1000)% для радиусов кривизны свыше 1000,0 мм. При измерении радиусов кривизны цилиндрических поверхностей оптических деталей, в частности цилиндрических зеркал, с помощью одномерных СГОЭ [9, 10] диапазон измерений радиусов кривизны и погрешность их измерений аналогичны величинам, характерным при контроле сферических поверхностей.
СГОЭ, выполненные в виде киноформов (с переходом от бинарной формы штрихов с дифракционной эффективностью 35–40% к многоуровневой с дифракционной эффективностью 85–90%, а в пределе – к пилообразной с предельной дифракционной эффективностью более 95% [13]), являются альтернативным средством коррекции хроматических аберраций линзовых центрированных систем (объективов). Это особенно ценно для УФ- и ИК-областей спектра в силу ограниченной номенклатуры оптических материалов, прозрачных в этом диапазоне. Подчеркнем, что впервые (1957 год) на эту уникальную возможность использования дифракционных структур указал и обосновал ее использование Г.Слюсарев [14].
Использование дифракционных структур в качестве основных объективов или компенсаторов в объектной ветви голографических систем интерференционных приборов позволяет визуализировать газовые потоки в аэродинамических трубах и баллистических трассах [15]. Включение голограммных объективов в эти системы придает им новые свойства, улучшая технические параметры современных систем оптико-физических измерений: увеличивая диаметр изучаемого газового потока с 230 до 1000 мм и обеспечивая предельно высокие значения относительного отверстия, достигаемого в объективах коллиматоров (от 1:3,5 до 1:2 и даже до 1:1).
Портативные наборы дифракционных элементов обеспечивают наглядную демонстрацию отдельных аберраций в учебных целях. Например, учебно-исследовательский набор СГОЭ-реплик [16] содержит "безаберрационную" синтезированную голограммную линзу (СГЛ), цилиндрическую СГЛ, СГЛ-тор, синтезированный голограммный имитатор (СГИ) сферических аберраций 3 и 5-го порядков, СГИ сферических аберраций 5-го порядка, СГИ аберраций синусоидального вида (для всех элементов этого набора световой диаметр 35 мм, рабочая длина волны равна 633 нм и дифракционная эффективность ~40%).
Кратко рассмотрим использование дифракционных элементов для "расширения" и "сжатия" рабочей спектральной области [9, 17]. Суть метода регулирования спектральной селективности рельефно-фазовых СГОЭ (достижения выравнивания зависимости дифракционной эффективности от длины волны в пределах всего рабочего спектрального диапазона) состоит в подборе двух прозрачных материалов с определенными различиями зависимости их показателей преломления от длины волны. Этот метод реализуется за счет:
•применения синусоидальной рельефно-фазовой модуляции, когда голограммный элемент представляет собой две соединенные встречно рабочими поверхностями фазовые голограммы 1 и 2 с противофазными структурами, выполненными в материалах с разными показателями преломления n1 и n2 (рис.10а);
•подбора системы двух бинарных голограмм 1 и 2, соединенных прозрачным склеивающим материалом 3 с показателем преломления n3 (рис.10б);
•использования одиночной голограммы 2, соединенной через прозрачную среду 1 с показателем преломления n1 с защитной пластинкой 6 с показателем преломления n4 (рис.10в).
Разность фаз между лучами 4 и 5, проходящими на расстоянии половины периода рельефной структуры друг относительно друга, можно записать в виде
Δφ = ( 2 π / λ ) h [ n2 ( λ ) – n1 ( λ ) ]. (2)
Максимальное значение дифракционной эффективности η( λ ) = ηmax достигается при разности фаз Δφопт, величина которой зависит от формы микрорельефа. Так, например, в случае синусоидальной формы (рис.10 а) Δφ = 1,85 рад, при этом наибольшая эффективность в 1-м порядке дифракции равна ~34%. Для ступенчатой двухуровневой формы рельефа при скважности, равной 2 (см.рис. 10б, 10в), Δφ = 1,57 рад и ηmax = 40,5%.
Из приведенного соотношения (2) следует: для того, чтобы расширить рабочую область спектра СГОЭ, необходимо ослабить (в идеале – исключить) зависимость разности фаз Δφ от длины волны λ. Это достигается путем использования такой пары оптических материалов, для которых зависимость (3) разности их показателей преломления от длины волны изменяется пропорционально длине волны в рабочем спектральном диапазоне
n2 ( λ ) – n1 ( λ) = a1 λ + b1. (3)
где a1 и b1 – параметры, определяемые оптическими свойствами выбранных материалов, причем желательно, чтобы в рабочей области спектра a1 λ >> b1. Высота h рельефа СГОЭ выбирается из приведенного выше соотношения (2) для Δφ ( λ ) = Δφопт ( λ0 ), где λ0 – длина волны, при которой достигается ηmax.
В том случае, если одна голограмма получена на основе твердотельного материала, вторая может быть выполнена путем заполнения рельефной структуры первой голограммы жидким прозрачным материалом с последующим отверждением, например путем полимеризации. Может быть использован и незатвердевающий материал, тогда он должен быть загерметизирован прозрачной пластиной 6 (рис.10в). Если обе голограммы, образующие СГОЭ, выполнены из твердотельных оптических материалов, они могут быть соединены с помощью прозрачного склеивающего вещества.
Для реализации рассмотренного метода расширения рабочей спектральной области СГОЭ необходимо обеспечить возможность формирования расчетных рельефно-фазовых структур голограмм в различных оптических материалах с широким диапазоном значений показателя преломления и дисперсии.
В качестве примера сравним расчетные нормированные зависимости дифракционной эффективности от длины волны для СГОЭ, выполненного из пары оптических кристаллов "фтористый литий – фтористый барий", и для "контрольного" образца СГОЭ, выполненного только из одного материала – фтористого бария. Эти оптические материалы имеют хорошее пропускание в дальней инфракрасной области спектра. При оптимальной длине волны 4 мкм для составного СГОЭ глубина рельефа равна 18,6 мкм, а для СГОЭ из фтористого бария глубина рельефа – 4,4 мкм. Расчеты показали, что рабочая область спектра составной голограммы простирается в диапазоне 3,1 – 10 мкм; у "одиночного" же СГОЭ она в 7 раз ýже: 3,5 – 4,5 мкм. Как видно, происходит существенное расширение рабочей спектральной области СГОЭ, предназначенной для работы на пропускание, при подходящем подборе пары оптических материалов.
В некоторых случаях высокая спектральная селективность СГОЭ может быть весьма полезно использована. Так, например, в фокусирующих системах, работающих в ограниченном спектральном диапазоне в условиях высокого уровня фоновых засветок (в частности, солнечно-"слепые" оптические системы в области длин волн 250–350 нм), это свойство голограмм позволяет существенно увеличить отношение "сигнал-фон" на входе фотоприемного устройства.
"Сжатие" рабочей спектральной области СГОЭ можно осуществить путем [9]:
•подбора пары оптических материалов, у которых разность показателей преломления уменьшается с ростом длины волны; при этом, чем быстрее она уменьшается, тем лучше;
•реализации зависимости дифракционной эффективности ступенчатых СГОЭ от глубины фазовой модуляции путем значительного "дозированного" увеличения глубины микрорельефа.
Для примера проанализируем семейство спектральных кривых дифракционной эффективности 8-уровнего пропускающего СГОЭ, рассчитанное в диапазоне длин волн от 400 до 900 нм для разных значений глубины фазового рельефа H: от H* = λ0 до H* = 33λ0, где λ0 = 632,8 нм; H* = H ( n – 1 ); n = 1,5146. Для этого семейства кривых характерно, что с изменением длины волны дифракционная эффективность проходит через ряд чередующихся вторичных максимумов и минимумов, ширина которых последовательно уменьшается с уменьшением длины волны. Поэтому, если существует возможность формирования достаточно "глубоких" микроструктур, то для заданной длины волны можно достичь многократного уменьшения полуширины. В данном примере – приблизительно на порядок. При этом, однако, необходимо обеспечить подавление "паразитных" вторичных максимумов пропускания слева и справа от заданной длины волны. Таким образом, СГОЭ в данном случае способен выполнять одновременно две функции: оптического корректора (или фокусатора) и полосового спектрального фильтра.
Интересно рассмотреть эволюцию терминологии в области осевых СГОЭ: зонная пластинка Френеля (пластинка Сорэ), зонная пластина Рэлея, зонная рельефно-фазовая бинарная пластина Вуда, голограмма Габора, зонные фазовые пластины Слюсарева (пластина имеет пилообразный профиль френелевских зон, расчет которых производится в сочетании с методом построения облегченных составных линз, и позволяет строить единственное изображение предмета в монохроматическом свете [19]) и Тудоровского (пластина – "ступенчатая линза", представляющая собой комбинацию пластины Слюсарева и обычной тонкой линзы с некоторой оптической силой [19]), искусственная голограмма (этот термин предложен специалистами ГИПО [5]; он использовался в научно-технических публикациях до вступления в силу ГОСТ 24865.1–81 "Голография и голографические методы контроля качества. Термины и определения"), машинная голограмма, синтетическая голограмма, цифровая голограмма, компьютерная голограмма, синтезированная голограмма (этот термин также предложен специалистами ГИПО, заменивший с 1981 года термин "искусственная голограмма") и киноформ-голограмма [9, 18, 19]. В настоящее время в отечественной научно-технической литературе утвердился термин "синтезированный голограммный оптический элемент" (СГОЭ), которому соответствует английский аналог – "computer-generated hologram optical element (CGHOE)".
Российские голографические школы: в Ленинграде (Санкт-Петербурге) – Ю.Н. Денисюк и, почти с самого начала, М.А.Ган с сотрудниками, из них прежде всего, А.Ф.Первеев; в Казани – К.С.Мустафин, А.Ф.Белозёров и А.В.Лукин с сотрудниками, прежде всего, Р.А.Рафиков и Н.П.Ларионов; в Куйбышеве (Самаре) – В.А.Сойфер с сотрудниками; в Пензе – Г.И.Грейсух с сотрудниками; в Новосибирске – В.П.Коронкевич и, практически с самого начала, А.Г.Полещук с сотрудниками – выполнили основополагающие работы по принципам расчета, вопросам изготовления, аттестации и практическому применению осевых СГОЭ (киноформов) и продолжают развитие этих направлений в настоящее время в интересах развития различных отраслей науки и техники и сферы образования [9, 10, 15, 18–20].
Особенно следует отметить комплекс научно-технологических работ с широким практическим применением, выполненных в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН (Новосибирск) В.П.Коронкевичем и А.Г.Полещуком с сотрудниками. Отличительной особенностью этой технологии изготовления СГОЭ является применение компьютерно-управляемого сфокусированного лазерного пучка, формирующего заданную дифракционную структуру в тонкослойных светочувствительных покрытиях [21]. Наибольший диаметр СГОЭ, изготавливаемых по этой технологии, достигает 300 мм.
В настоящее время в ОАО "НПО ГИПО" разрабатываются актуальные для современного телескопостроения методы и устройства контроля юстировки зеркальных центрированных оптических систем. Один из таких методов [22], разработанный на основе использования СГОЭ с тремя осевыми соосными между собой юстировочными синтезированными голограммами, изготовленными на общей подложке, обеспечивает контроль юстировки двухзеркальных телескопов Кассегрена и Ричи-Кретьена. Оптическая схема устройства для проведения этой юстировки изображена на рис. 11, где СГОЭ 6 содержит структуры трех синтезированных голограмм 7, 8 и 9, центром симметрии которых является точка О2. При этом голограммы 8 и 9 имеют кольцевые апертуры. Прямая линия, проходящая через точки О2 и О3 перпендикулярно к рабочей поверхности СГОЭ 6, является осью симметрии голограмм 7, 8 и 9. Она задает оптическую ось устройства, когда светящаяся точка (точечный источник света) А выведена на данную ось симметрии. Это осуществляется тогда, когда посредством линейных смещений и угловых поворотов СГОЭ 6 с помощью автоколлимационной голограммы 7 получают автоколлимационное изображение А′7 светящейся точки А. В этом случае и СГОЭ 6 будет установлено на заданное расстояние а относительно монохроматического точечного источника света А. Синтезированная голограмма 8 является голограммой-компенсатором и служит для контроля установки вторичного зеркала 10 на расстояние d2 от СГОЭ 6 и юстировки его в этом положении в поперечном направлении к оптической оси, а также по углу к ней. Синтезированная голограмма 9 также является голограммой-компенсатором и служит для контроля установки главного зеркала 12 на расстоянии d3 от СГОЭ 6 и юстировки его в этом положении в поперечном направлении к оптической оси и по углу к ней. На стадии синтеза голограмм 7, 8 и 9 выбираются отрезки а, d1, d2 и d3; при этом принимается условие, что сумма величин отрезков d1, d2 и d3 должна быть равна заданному расстоянию d между вершинами О2 и О3 асферических поверхностей главного и вторичного зеркал телескопа. При проведении процесса юстировки зеркал телескопа необходимо на конечной стадии юстировки получить автоколлимационные изображения А′7, А′10; А′12 светящейся точки А. Контролировать этот процесс можно путем наблюдения на экране монитора 16 изображений этих точек совместно с изображением опорной точки Ао и затем совмещения их между собой. Контролировать данный процесс можно и по интерференционным картинам, наблюдаемым также на экране монитора 16. Настройку на экране монитора 16 изображений точек или интерференционных полос осуществляют продольным смещением камеры 15. В работе [22] показано, что данный метод может быть использован и при юстировке телескопа Кассегрена с фокусом Эпса-Шульте.
Второй метод, служащий для контроля юстировки двухзеркальных систем телескопов Кассегрена и Ричи-Кретьена, основан на использовании двух осевых синтезированных голограмм, наносимых на рабочей (выпуклой) поверхности вторичного зеркала телескопа соосно между собой и боковой цилиндрической поверхностью вторичного зеркала [23]. В этом случае ось симметрии синтезированных голограмм совпадает с осью симметрии асферической поверхности вторичного зеркала телескопа (погрешность несовпадения указанных осей симметрии может составлять не более нескольких микрометров). Одна из этих голограмм является автоколлимационной и служит для юстировки вторичного зеркала относительно точечного источника света, а другая – является голограммой-компенсатором и служит для юстировки главного зеркала телескопа относительно вторичного зеркала. Обе синтезированные голограммы имеют кольцевые апертуры и могут наноситься в краевой зоне вторичного зеркала вне его светового диаметра.
На рис.12а представлена оптическая схема устройства для реализации метода контроля юстировки двухзеркальных телескопов на основе использования таких голограмм. На рис.12 б изображено вторичное зеркало 9 телескопа с двумя кольцевыми синтезированными голограммами, расположенными в краевой зоне вторичного зеркала. Следует отметить, что юстировочные голограммы 10 и 11 могут наноситься и в центральной зоне светового диаметра вторичного зеркала 9, если их изготавливать для длины волны λ, меньшей коротковолновой границы спектрального диапазона, в котором работает телескоп (например, телескопы для инфракрасной области спектра). Такое расположение юстировочных голограмм открывает возможность контроля юстировки данным методом и космических телескопов в процессе их работы на орбите.
Таким образом, в данной статье показано, что на основе использования осевых СГОЭ разработаны:
•комплекс прецизионных методов и средств для осуществления контроля формы и качества разнообразных видов асферических (в том числе цилиндрических, торических) поверхностей оптических деталей;
•методы контроля юстировки центрированных линзовых и зеркальных систем, в том числе двухзеркальных систем телескопов;
•разнообразные приложения для решения практических задач как в оптическом производстве и приборостроении, так и в образовательной сфере.
Осевые СГОЭ являются базовыми элементами для создания перспективных средств контроля юстировки двухзеркальных систем телескопов космического базирования и оптических систем крупногабаритных объективов интерференционных приборов для проведения оптико-физических исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1.Вуд Р. Физическая оптика /Пер. с англ. под ред. акад. Д.С. Рождественского. – М.: Гл. ред. общетехн. лит-ры, 1936, с. 52–55.
2.А. с. 277269 СССР. Голографический способ контроля оптических поверхностей/Г.Буйнов, А.Лукин, С.Мирумянц., К.Мустафин.–Б.И.,1970.
3.Jordan J.A., Jr., Hirsch P.M., Lesem L.B., Van Rooy D.L. Kinoform lenses. – Applied Optics, 1970, v. 9, № 8, p. 1883–1887.
4.Macgowern A.J., Wyant J.C. Computer generated holograms for testing optical elements. – Applied Optics, 1971, v. 10, № 3, p. 619– 624.
5.Буйнов Г.Н., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мустафин К.С., Рафиков Р.А. Голографический интерференционный контроль асферических поверхностей. – Оптико-механическая промышленность, 1971, № 4, c. 6–11.
6.Schwider J., Buroy R. Testing of aspherics by means of rotational-symmetric synthetic holograms. – Optica Applicata, 1976, v. 6, № 1, p. 83– 88.
7.Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мустафин К.С. Искусственная голограмма как оптический компенсатор. – Оптика и спектроскопия, 1972, т.32, в.2, с. 396–399.
8.А. с. 371857 СССР. Искусственная голограмма оптической поверхности/ Н.Ларионов, А.Лукин, К.Мустафин.– Б.И.,1978.
9.Лукин А.В. Голограммные оптические элементы. – Оптический журнал, 2007, т.74, № 1, с. 80 – 87.
10.Агачев А.Р., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Миронова Т.А. и др. Синтезированная голограммная оптика. – Оптический журнал, 2002, т.69, № 12, с. 23–32.
11.А.с. 763070 СССР. Делительная машина/ Г.Гнутова, В.Гунченков, В.Жамов, В.Зверев и др. – Б.И., 1980.
12.А.с. 557621 СССР. Способ контроля радиуса кривизны сферических поверхностей/ В.Казанкова, Н.Ларионов, А.Лукин, Мустафин, Р.Рафиков. – Б.И., 1978.
13.Damman H. Spectral characteristic of stepped-phase gtratings. – Optik, 1979, v. 58, № 5, p. 409–417.
14.Слюсарев Г.Г. Оптические системы с фазовыми слоями. – Доклады АН СССР, 1957, т. 113, № 4 с. 780–783.
15.Белозёров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007.
16.Беляков Ю.М., Лукин А.В., Мельников А.Н., Рафиков Р.А., Саттаров Ф.А. Комплект голограммных оптических элементов "HOLOS" как техническое средство обучения. – Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2003, № 3, c. 20–23.
17.Патент РФ на изобретение № 1271240. Голограммный оптический элемент. 1985. А.Лукин, К.Мустафин, Р.Рафиков.
18.Фролова Н.П. Дифракционная оптика (обзор). – Оптико-механическая промышленность, 1988, № 9, с. 49–56.
19.Ган М.А. 50 лет киноформной оптики. Итоги и перспективы развития. – Оптический журнал, 2006, т.73, № 7, с. 9–16.
20.Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Левин И.А., Степанов С.А. Расчет высокоапертурных конфокальных дифракционно-линзовых объективов. – Компьютерная оптика, 2011, т. 35, № 1, с. 22–28.
21.Коронкевич В.П., Корольков В.П., Полещук А.Г. Лазерные технологии в дифракционной оптике. – Автометрия, 1998, № 6, с. 5–26.
22.Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Нюшкин А.А. Юстировка двухзеркальных центрированных оптических систем с использованием синтезированных голограммных оптических элементов. – Оптический журнал, 2010, т.77, № 6, с.14–18.
23.Балоев В.А., Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В. и др. Прецизионный метод контроля юстировки двухзеркальных телескопов на основе использования системы кольцевых синтезированных голограмм. – Оптический журнал, 2012, т. 79, № 3, с. 56–64.
Прослеживая историю развития осевых СГОЭ, можно условно разделить ее на три этапа. В рамках первого этапа были сформулированы и подтверждены экспериментально основополагающие принципы преобразования волновых полей с помощью осевых дифракционных структур (О.Френель, 1816 год; Д.Рэлей, 1871; Ш.Сорэ, 1875).
Второй этап, в целом, связан с пионерскими работами Р.Вуда [1]. Он, фактически, изготовил первую рельефно-фазовую бинарную голограмму с высокой дифракционной эффективностью в тонком прозрачном слое желатины, нанесенном на стеклянную подложку. Толщина слоя (после экспонирования и проявления) обеспечивала сдвиг фазы на величину π между соседними френелевскими зонами.
На третьем этапе были разработаны новые технологии получения СГОЭ. Они обеспечили этим элементам широкое применение на практике в оптической технологии и в оптико-электронном приборостроении. Важнейшими достижениями этапа стали демонстрация возможностей, определение целесообразности и обоснование условий предпочтительного применения осевых СГОЭ. Элементы начали использовать для контроля асферических поверхностей и юстировки центрированных оптических систем, в частности двухзеркальных телескопов, в том числе космического базирования. В первых работах, зарубежных и отечественных, были рассмотрены разнообразные пути синтеза элементов. В работах [2, 3] описаны варианты применения осевых синтезированных голограмм, в [4] – внеосевых, синтезируемых методом Ломана (A.W.Lohmann), в том числе описаны СГОЭ, созданные методом фотолитографии с фотографическим уменьшением расчетного голографического поля, были представлены результаты исследований образцов демонстрационных элементов – киноформов [3]. К пионерским работам, в которых была продемонстрирована возможность и показана целесообразность применения синтезированных голограмм для контроля асферических поверхностей (АП), относятся работы по внеосевой голографии [4] и по осевым голограммам [2, 5–8].
Следует отметить, что расчет внеосевых голограмм занимал значительно (на несколько порядков) больше весьма дорогостоящего в те годы машинного времени на электронно-вычислительных машинах, чем расчет соответствующих осевых голограмм.
Дальнейшая история развития дифракционной оптики подтвердила несомненные преимущества осевых СГОЭ, к которым относятся простота их расчета, изготовления и аттестации. Осевые СГОЭ оказались более предпочтительны для практики оптического и оптико-электронного приборостроения. В настоящее время в качестве образцовых оптических элементов и оптических компенсаторов используются исключительно осевые СГОЭ.
Расчет осевых СГОЭ основан на представлении о "дифрагировавшем" луче. Полагаем, что теорема Малюса-Дюпина и обратная теорема Леви-Чивита, сформулированные для случаев отражения и преломления света, справедливы также и для дифрагированных лучей [9]. В обобщенном виде обе эти теоремы целесообразно изложить в виде: "Два любых геометрических волновых фронта (две любые волновые поверхности) можно перевести друг в друга с помощью одного отражения, преломления или дифрагирования". Однако отсутствие выполнения условия таутохронизма в данном случае предполагает очевидные трудности реализации принципа Гюйгенса-Френеля. Прежде всего, это касается понятия "волновой фронт", который в данном случае следует понимать только как поверхность, ортогональную к дифрагированным лучам ("геометрический" волновой фронт). "Платой" за это являются высокие требования к монохроматичности используемого источника излучения. Задача расчета СГОЭ состоит в том, чтобы определить координаты полос (колец) интерференционной картины, которая образовалась бы в плоскости голограммы в результате суперпозиции объектной и опорной волн, заданных аналитически [9, 10]. Для расчета синтезированных голограмм используется выражение
Δlm (ρ) = λ (m ± 1/2Q), (1)
где Δlm(ρ) – разность оптического пути опорной и объектной волн на краях m-й интерференционной полосы, λ – рабочая длина волны, Q – скважность (соотношение между периодом повторения и шириной полосы (штриха) отображаемой интерференционной картины). При расчете синтезированной голограммы находят координаты краев ρ±m каждой m-й интерференционной полосы.
В начале 60-х годов XX века в Государственном институте прикладной оптики (ГИПО) – тогда казанском филиале Государственного оптического института им. С.И.Вавилова – под руководством Камиля Сабировича Мустафина были начаты исследования по созданию технологий получения СГОЭ. Целью было решение на основе ее разработки проблемы контроля асферической оптики и ряда задач крупногабаритного оптического приборостроения. Важная научно-методическая роль в становлении и развитии этого направления в ГИПО принадлежит академику РАН Юрию Николаевичу Денисюку.
Особо следует отметить, что в ГИПО изначально были опробованы два метода изготовления осевых СГОЭ – с помощью сфокусированного светового пучка и методом "резца". Практика показала, что метод "резца" в технологии изготовления СГОЭ имеет ряд существенных преимуществ (по пространственной частоте, размерам и др.). Существенным фактором, благоприятно повлиявшим на развитие метода, стало наличие в ГИПО замкнутого технологического цикла изготовления нарезных дифракционных решеток с собственными участками заточки алмазных резцов, вакуумного напыления тонких металлических отражательных слоев и опытом эксплуатации классических делительных машин.
В ГИПО самая первая синтезированная голограмма была изготовлена в 1969 году на токарном станке с помощью победитового резца треугольного профиля [5]. Расчетная ширина кольцевых френелевских зон в данном случае обеспечивалась соответствующим "углублением" резца в подложку из алюминия, плоская рабочая поверхность которой была предварительно сформирована на том же станке. Ее максимальная пространственная частота 30 мм–1, дифракционная эффективность ~3% (амплитудная голограмма). Расчет структуры этой голограммы тогда производился вручную с помощью арифмометра "Мерседес".
Создание основного технологического оборудования для изготовления СГОЭ в ГИПО началось в конце 1960-х годов с разработки макета делительного устройства, основанного на использовании алмазного резца. Макет имел горизонтальную ось вращения шпинделя для крепления подложки СГОЭ (рис.1). Резцедержатель с помощью пластинчатой пружины и электромагнита обеспечивал нанесение кольцевых штрихов на алюминированную рабочую поверхность подложки СГОЭ. В этом макете и в последующих поколениях круговых делительных машин был реализован принцип "несущей" пространственной частоты. То есть каждую расчетную непрозрачную (неотражающую) зону голограммы отображала группа "элементарных" непрозрачных зон с постоянным шагом, создавалась "несущая" пространственная частота – эквивалент "несущей" в радиофизике (рис.2) [7].
Дальнейшее развитие названных технологий обеспечило возможность получения рельефно-фазовых бинарных СГОЭ с дифракционной эффективностью до 40 % путем удаления этих "элементарных" зон [10].
В середине 1970-х годов ГИПО и Ленинградское оптико-механическое объединение (ЛОМО) совместно спроектировали и изготовили круговую делительную машину МДА-9 для нарезания СГОЭ диаметром до 230 мм (рис.3), защищенную авторским свидетельством на изобретение "Делительная машина" [11]. В конструкции машины МДА-9 ось вращения шпинделя для крепления подложки СГОЭ ориентирована вертикально. Круговая делительная машина МДА-9 управлялась логическим электронным блоком со старт-стопным считывающим устройством; носитель информации – бумажная перфолента с данными о координатах опускания и подъема алмазного резца.
В конце 1990-х годов в ГИПО была создана круговая делительная машина МДА-10 на основе использования пьезоэлектрического привода продольного перемещения делительной каретки (рис.4). Управление процессом нарезания структуры СГОЭ здесь осуществлялось с помощью персонального компьютера. Машина МДА-10 позволяет изготавливать круговые СГОЭ диаметром до 230 мм и пространственной частотой до 2000 мм–1 на подложках с плоскими и выпуклыми рабочими поверхностями, а также – цилиндрические СГОЭ размерами до 70×100 мм. Погрешность формирования заданной волновой поверхности до 0,05 λ, где длина волны λ = 633 нм, при наибольшей пространственной частоте до 100 мм–1.
Ранее, в самом начале 1990-х годов, в ГИПО была разработана круговая делительная машина МДГ-500 для нарезания СГОЭ диаметром до 500 мм, два образца которой были изготовлены на заводе "Арсенал" (Киев). Одна из этих машин (рис.5) в 1993 году была поставлена в ГИПО. В настоящее время она модернизируется для изготовления СГОЭ диаметром до 600 мм.
Также были разработаны методы контроля оптического качества осевых СГОЭ [9, 10], основанные на использовании:
•измерительного микроскопа и контрольных колец;
•вспомогательной (аттестующей) синтезированной голограммы с учетом погрешностей подложки и нанесения штриховой структуры.
Необходимо было обеспечить отечественному оптическому производителю возможность создавать оптические детали с асферическими поверхностями. Поэтому в ГИПО на протяжении нескольких десятилетий вели исследования по созданию методов и средств контроля таких поверхностей. Результатом стала разработка на основе использования СГОЭ целого ряда базовых оптических схем для контроля качества оптических асферических поверхностей в процессе их формообразования, а также контроля качества линзовых оптических систем на промежуточных и финишной стадиях их сборки (рис.6).
Некоторые из них использовались для контроля асферических поверхностей на оптических предприятиях отрасли: Казанском оптико-механическом заводе (Казань), Новосибирском приборостроительном заводе (Новосибирск), заводе "Арсенал" (Киев), Лыткаринском заводе оптического стекла (Лыткарино, Московская область), Ленинградском оптико-механическом объединении (Санкт-Петербург), в Научно-исследовательском институте комплексных испытаний оптико-электронных приборов (Сосновый бор, Ленинградская область) и Государственном оптическом институте им. С.И.Вавилова (Санкт-Петербург). Для практической реализации этих схем контроля в ГИПО были разработаны специальные установки – голографические асферометры типа АГ-2, АГ-3, АГ-4 и АСГ, несколько экземпляров были изготовлены и поставлены на ряд предприятий отечественной оптической промышленности. На основе этих установок в Центральном конструкторском бюро "ФОТОН" (Казань) были разработаны для серийного производства приборы ИФК-451 и ИФК-454, которые выполняют функции описанных выше установок типа АГ и АСГ. Голографический асферометр ИФК-451 является переносным и предназначен для бесконтактного контроля с интерферометрической точностью оптических поверхностей второго и высшего порядка с диаметрами до 12000 мм для вогнутых и до 500 мм для выпуклых оптических деталей. Универсальная голографическая установка ИФК-454 является стационарной и предназначена для контроля:
•формы асферических поверхностей любого порядка со световым диаметром до 150 мм, асферичностью до 3000 мкм, градиентом асферичности до 30 мкм/мм, погрешность контроля 0,03 мкм;
•формы и измерения радиусов кривизны сферических и цилиндрических поверхностей со световым диаметром до 200 мм и диапазоном радиусов кривизны от ± 100 до ±100000 мм.
Практические примеры представлены интерферограммами и элементами СГОЭ с их краткими основными характеристиками (рис.7–9). Тот факт, что в 1981 году на Лыткаринском заводе оптического стекла специалистами ГИПО был проведен контроль вогнутого параболического зеркала диаметром 2,6 м на основе использования осевого СГОЭ разработки ГИПО, подтверждает успех внедрения в производство голограммных оптических элементов. Но эти примеры не ограничивают круг задач, решаемых с помощью осевых СГОЭ. Наряду с ними данный класс голограммных оптических элементов также используется для контроля величины децентрировки линз [10], для измерения радиусов кривизны r сферических и цилиндрических поверхностей оптических деталей, в виде киноформов, для визуализации газовых потоков в аэродинамических трубах и баллистических трассах, для "расширения" и "сжатия" рабочей спектральной области.
Погрешность контроля величины децентрировки линз не превышает 10 мкм. При контроле с помощью СГОЭ радиусов кривизны сферических поверхностей пробных стекол [12] (диапазон измерений радиусов кривизны r от ±250 до ±100 000 мм) обеспечивается погрешность по 1-му классу точности (ГОСТ 2786-82 "Стекла пробные для проверки радиусов и формы сферических оптических поверхностей. Технические условия"). Это позволяет оценить предельное отклонение радиусов кривизны с величиной ±0,02% в диапазоне их номинальных значений от 250 до 1000,0 мм (включительно) и с величиной (±0,02 r / 1000)% для радиусов кривизны свыше 1000,0 мм. При измерении радиусов кривизны цилиндрических поверхностей оптических деталей, в частности цилиндрических зеркал, с помощью одномерных СГОЭ [9, 10] диапазон измерений радиусов кривизны и погрешность их измерений аналогичны величинам, характерным при контроле сферических поверхностей.
СГОЭ, выполненные в виде киноформов (с переходом от бинарной формы штрихов с дифракционной эффективностью 35–40% к многоуровневой с дифракционной эффективностью 85–90%, а в пределе – к пилообразной с предельной дифракционной эффективностью более 95% [13]), являются альтернативным средством коррекции хроматических аберраций линзовых центрированных систем (объективов). Это особенно ценно для УФ- и ИК-областей спектра в силу ограниченной номенклатуры оптических материалов, прозрачных в этом диапазоне. Подчеркнем, что впервые (1957 год) на эту уникальную возможность использования дифракционных структур указал и обосновал ее использование Г.Слюсарев [14].
Использование дифракционных структур в качестве основных объективов или компенсаторов в объектной ветви голографических систем интерференционных приборов позволяет визуализировать газовые потоки в аэродинамических трубах и баллистических трассах [15]. Включение голограммных объективов в эти системы придает им новые свойства, улучшая технические параметры современных систем оптико-физических измерений: увеличивая диаметр изучаемого газового потока с 230 до 1000 мм и обеспечивая предельно высокие значения относительного отверстия, достигаемого в объективах коллиматоров (от 1:3,5 до 1:2 и даже до 1:1).
Портативные наборы дифракционных элементов обеспечивают наглядную демонстрацию отдельных аберраций в учебных целях. Например, учебно-исследовательский набор СГОЭ-реплик [16] содержит "безаберрационную" синтезированную голограммную линзу (СГЛ), цилиндрическую СГЛ, СГЛ-тор, синтезированный голограммный имитатор (СГИ) сферических аберраций 3 и 5-го порядков, СГИ сферических аберраций 5-го порядка, СГИ аберраций синусоидального вида (для всех элементов этого набора световой диаметр 35 мм, рабочая длина волны равна 633 нм и дифракционная эффективность ~40%).
Кратко рассмотрим использование дифракционных элементов для "расширения" и "сжатия" рабочей спектральной области [9, 17]. Суть метода регулирования спектральной селективности рельефно-фазовых СГОЭ (достижения выравнивания зависимости дифракционной эффективности от длины волны в пределах всего рабочего спектрального диапазона) состоит в подборе двух прозрачных материалов с определенными различиями зависимости их показателей преломления от длины волны. Этот метод реализуется за счет:
•применения синусоидальной рельефно-фазовой модуляции, когда голограммный элемент представляет собой две соединенные встречно рабочими поверхностями фазовые голограммы 1 и 2 с противофазными структурами, выполненными в материалах с разными показателями преломления n1 и n2 (рис.10а);
•подбора системы двух бинарных голограмм 1 и 2, соединенных прозрачным склеивающим материалом 3 с показателем преломления n3 (рис.10б);
•использования одиночной голограммы 2, соединенной через прозрачную среду 1 с показателем преломления n1 с защитной пластинкой 6 с показателем преломления n4 (рис.10в).
Разность фаз между лучами 4 и 5, проходящими на расстоянии половины периода рельефной структуры друг относительно друга, можно записать в виде
Δφ = ( 2 π / λ ) h [ n2 ( λ ) – n1 ( λ ) ]. (2)
Максимальное значение дифракционной эффективности η( λ ) = ηmax достигается при разности фаз Δφопт, величина которой зависит от формы микрорельефа. Так, например, в случае синусоидальной формы (рис.10 а) Δφ = 1,85 рад, при этом наибольшая эффективность в 1-м порядке дифракции равна ~34%. Для ступенчатой двухуровневой формы рельефа при скважности, равной 2 (см.рис. 10б, 10в), Δφ = 1,57 рад и ηmax = 40,5%.
Из приведенного соотношения (2) следует: для того, чтобы расширить рабочую область спектра СГОЭ, необходимо ослабить (в идеале – исключить) зависимость разности фаз Δφ от длины волны λ. Это достигается путем использования такой пары оптических материалов, для которых зависимость (3) разности их показателей преломления от длины волны изменяется пропорционально длине волны в рабочем спектральном диапазоне
n2 ( λ ) – n1 ( λ) = a1 λ + b1. (3)
где a1 и b1 – параметры, определяемые оптическими свойствами выбранных материалов, причем желательно, чтобы в рабочей области спектра a1 λ >> b1. Высота h рельефа СГОЭ выбирается из приведенного выше соотношения (2) для Δφ ( λ ) = Δφопт ( λ0 ), где λ0 – длина волны, при которой достигается ηmax.
В том случае, если одна голограмма получена на основе твердотельного материала, вторая может быть выполнена путем заполнения рельефной структуры первой голограммы жидким прозрачным материалом с последующим отверждением, например путем полимеризации. Может быть использован и незатвердевающий материал, тогда он должен быть загерметизирован прозрачной пластиной 6 (рис.10в). Если обе голограммы, образующие СГОЭ, выполнены из твердотельных оптических материалов, они могут быть соединены с помощью прозрачного склеивающего вещества.
Для реализации рассмотренного метода расширения рабочей спектральной области СГОЭ необходимо обеспечить возможность формирования расчетных рельефно-фазовых структур голограмм в различных оптических материалах с широким диапазоном значений показателя преломления и дисперсии.
В качестве примера сравним расчетные нормированные зависимости дифракционной эффективности от длины волны для СГОЭ, выполненного из пары оптических кристаллов "фтористый литий – фтористый барий", и для "контрольного" образца СГОЭ, выполненного только из одного материала – фтористого бария. Эти оптические материалы имеют хорошее пропускание в дальней инфракрасной области спектра. При оптимальной длине волны 4 мкм для составного СГОЭ глубина рельефа равна 18,6 мкм, а для СГОЭ из фтористого бария глубина рельефа – 4,4 мкм. Расчеты показали, что рабочая область спектра составной голограммы простирается в диапазоне 3,1 – 10 мкм; у "одиночного" же СГОЭ она в 7 раз ýже: 3,5 – 4,5 мкм. Как видно, происходит существенное расширение рабочей спектральной области СГОЭ, предназначенной для работы на пропускание, при подходящем подборе пары оптических материалов.
В некоторых случаях высокая спектральная селективность СГОЭ может быть весьма полезно использована. Так, например, в фокусирующих системах, работающих в ограниченном спектральном диапазоне в условиях высокого уровня фоновых засветок (в частности, солнечно-"слепые" оптические системы в области длин волн 250–350 нм), это свойство голограмм позволяет существенно увеличить отношение "сигнал-фон" на входе фотоприемного устройства.
"Сжатие" рабочей спектральной области СГОЭ можно осуществить путем [9]:
•подбора пары оптических материалов, у которых разность показателей преломления уменьшается с ростом длины волны; при этом, чем быстрее она уменьшается, тем лучше;
•реализации зависимости дифракционной эффективности ступенчатых СГОЭ от глубины фазовой модуляции путем значительного "дозированного" увеличения глубины микрорельефа.
Для примера проанализируем семейство спектральных кривых дифракционной эффективности 8-уровнего пропускающего СГОЭ, рассчитанное в диапазоне длин волн от 400 до 900 нм для разных значений глубины фазового рельефа H: от H* = λ0 до H* = 33λ0, где λ0 = 632,8 нм; H* = H ( n – 1 ); n = 1,5146. Для этого семейства кривых характерно, что с изменением длины волны дифракционная эффективность проходит через ряд чередующихся вторичных максимумов и минимумов, ширина которых последовательно уменьшается с уменьшением длины волны. Поэтому, если существует возможность формирования достаточно "глубоких" микроструктур, то для заданной длины волны можно достичь многократного уменьшения полуширины. В данном примере – приблизительно на порядок. При этом, однако, необходимо обеспечить подавление "паразитных" вторичных максимумов пропускания слева и справа от заданной длины волны. Таким образом, СГОЭ в данном случае способен выполнять одновременно две функции: оптического корректора (или фокусатора) и полосового спектрального фильтра.
Интересно рассмотреть эволюцию терминологии в области осевых СГОЭ: зонная пластинка Френеля (пластинка Сорэ), зонная пластина Рэлея, зонная рельефно-фазовая бинарная пластина Вуда, голограмма Габора, зонные фазовые пластины Слюсарева (пластина имеет пилообразный профиль френелевских зон, расчет которых производится в сочетании с методом построения облегченных составных линз, и позволяет строить единственное изображение предмета в монохроматическом свете [19]) и Тудоровского (пластина – "ступенчатая линза", представляющая собой комбинацию пластины Слюсарева и обычной тонкой линзы с некоторой оптической силой [19]), искусственная голограмма (этот термин предложен специалистами ГИПО [5]; он использовался в научно-технических публикациях до вступления в силу ГОСТ 24865.1–81 "Голография и голографические методы контроля качества. Термины и определения"), машинная голограмма, синтетическая голограмма, цифровая голограмма, компьютерная голограмма, синтезированная голограмма (этот термин также предложен специалистами ГИПО, заменивший с 1981 года термин "искусственная голограмма") и киноформ-голограмма [9, 18, 19]. В настоящее время в отечественной научно-технической литературе утвердился термин "синтезированный голограммный оптический элемент" (СГОЭ), которому соответствует английский аналог – "computer-generated hologram optical element (CGHOE)".
Российские голографические школы: в Ленинграде (Санкт-Петербурге) – Ю.Н. Денисюк и, почти с самого начала, М.А.Ган с сотрудниками, из них прежде всего, А.Ф.Первеев; в Казани – К.С.Мустафин, А.Ф.Белозёров и А.В.Лукин с сотрудниками, прежде всего, Р.А.Рафиков и Н.П.Ларионов; в Куйбышеве (Самаре) – В.А.Сойфер с сотрудниками; в Пензе – Г.И.Грейсух с сотрудниками; в Новосибирске – В.П.Коронкевич и, практически с самого начала, А.Г.Полещук с сотрудниками – выполнили основополагающие работы по принципам расчета, вопросам изготовления, аттестации и практическому применению осевых СГОЭ (киноформов) и продолжают развитие этих направлений в настоящее время в интересах развития различных отраслей науки и техники и сферы образования [9, 10, 15, 18–20].
Особенно следует отметить комплекс научно-технологических работ с широким практическим применением, выполненных в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН (Новосибирск) В.П.Коронкевичем и А.Г.Полещуком с сотрудниками. Отличительной особенностью этой технологии изготовления СГОЭ является применение компьютерно-управляемого сфокусированного лазерного пучка, формирующего заданную дифракционную структуру в тонкослойных светочувствительных покрытиях [21]. Наибольший диаметр СГОЭ, изготавливаемых по этой технологии, достигает 300 мм.
В настоящее время в ОАО "НПО ГИПО" разрабатываются актуальные для современного телескопостроения методы и устройства контроля юстировки зеркальных центрированных оптических систем. Один из таких методов [22], разработанный на основе использования СГОЭ с тремя осевыми соосными между собой юстировочными синтезированными голограммами, изготовленными на общей подложке, обеспечивает контроль юстировки двухзеркальных телескопов Кассегрена и Ричи-Кретьена. Оптическая схема устройства для проведения этой юстировки изображена на рис. 11, где СГОЭ 6 содержит структуры трех синтезированных голограмм 7, 8 и 9, центром симметрии которых является точка О2. При этом голограммы 8 и 9 имеют кольцевые апертуры. Прямая линия, проходящая через точки О2 и О3 перпендикулярно к рабочей поверхности СГОЭ 6, является осью симметрии голограмм 7, 8 и 9. Она задает оптическую ось устройства, когда светящаяся точка (точечный источник света) А выведена на данную ось симметрии. Это осуществляется тогда, когда посредством линейных смещений и угловых поворотов СГОЭ 6 с помощью автоколлимационной голограммы 7 получают автоколлимационное изображение А′7 светящейся точки А. В этом случае и СГОЭ 6 будет установлено на заданное расстояние а относительно монохроматического точечного источника света А. Синтезированная голограмма 8 является голограммой-компенсатором и служит для контроля установки вторичного зеркала 10 на расстояние d2 от СГОЭ 6 и юстировки его в этом положении в поперечном направлении к оптической оси, а также по углу к ней. Синтезированная голограмма 9 также является голограммой-компенсатором и служит для контроля установки главного зеркала 12 на расстоянии d3 от СГОЭ 6 и юстировки его в этом положении в поперечном направлении к оптической оси и по углу к ней. На стадии синтеза голограмм 7, 8 и 9 выбираются отрезки а, d1, d2 и d3; при этом принимается условие, что сумма величин отрезков d1, d2 и d3 должна быть равна заданному расстоянию d между вершинами О2 и О3 асферических поверхностей главного и вторичного зеркал телескопа. При проведении процесса юстировки зеркал телескопа необходимо на конечной стадии юстировки получить автоколлимационные изображения А′7, А′10; А′12 светящейся точки А. Контролировать этот процесс можно путем наблюдения на экране монитора 16 изображений этих точек совместно с изображением опорной точки Ао и затем совмещения их между собой. Контролировать данный процесс можно и по интерференционным картинам, наблюдаемым также на экране монитора 16. Настройку на экране монитора 16 изображений точек или интерференционных полос осуществляют продольным смещением камеры 15. В работе [22] показано, что данный метод может быть использован и при юстировке телескопа Кассегрена с фокусом Эпса-Шульте.
Второй метод, служащий для контроля юстировки двухзеркальных систем телескопов Кассегрена и Ричи-Кретьена, основан на использовании двух осевых синтезированных голограмм, наносимых на рабочей (выпуклой) поверхности вторичного зеркала телескопа соосно между собой и боковой цилиндрической поверхностью вторичного зеркала [23]. В этом случае ось симметрии синтезированных голограмм совпадает с осью симметрии асферической поверхности вторичного зеркала телескопа (погрешность несовпадения указанных осей симметрии может составлять не более нескольких микрометров). Одна из этих голограмм является автоколлимационной и служит для юстировки вторичного зеркала относительно точечного источника света, а другая – является голограммой-компенсатором и служит для юстировки главного зеркала телескопа относительно вторичного зеркала. Обе синтезированные голограммы имеют кольцевые апертуры и могут наноситься в краевой зоне вторичного зеркала вне его светового диаметра.
На рис.12а представлена оптическая схема устройства для реализации метода контроля юстировки двухзеркальных телескопов на основе использования таких голограмм. На рис.12 б изображено вторичное зеркало 9 телескопа с двумя кольцевыми синтезированными голограммами, расположенными в краевой зоне вторичного зеркала. Следует отметить, что юстировочные голограммы 10 и 11 могут наноситься и в центральной зоне светового диаметра вторичного зеркала 9, если их изготавливать для длины волны λ, меньшей коротковолновой границы спектрального диапазона, в котором работает телескоп (например, телескопы для инфракрасной области спектра). Такое расположение юстировочных голограмм открывает возможность контроля юстировки данным методом и космических телескопов в процессе их работы на орбите.
Таким образом, в данной статье показано, что на основе использования осевых СГОЭ разработаны:
•комплекс прецизионных методов и средств для осуществления контроля формы и качества разнообразных видов асферических (в том числе цилиндрических, торических) поверхностей оптических деталей;
•методы контроля юстировки центрированных линзовых и зеркальных систем, в том числе двухзеркальных систем телескопов;
•разнообразные приложения для решения практических задач как в оптическом производстве и приборостроении, так и в образовательной сфере.
Осевые СГОЭ являются базовыми элементами для создания перспективных средств контроля юстировки двухзеркальных систем телескопов космического базирования и оптических систем крупногабаритных объективов интерференционных приборов для проведения оптико-физических исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1.Вуд Р. Физическая оптика /Пер. с англ. под ред. акад. Д.С. Рождественского. – М.: Гл. ред. общетехн. лит-ры, 1936, с. 52–55.
2.А. с. 277269 СССР. Голографический способ контроля оптических поверхностей/Г.Буйнов, А.Лукин, С.Мирумянц., К.Мустафин.–Б.И.,1970.
3.Jordan J.A., Jr., Hirsch P.M., Lesem L.B., Van Rooy D.L. Kinoform lenses. – Applied Optics, 1970, v. 9, № 8, p. 1883–1887.
4.Macgowern A.J., Wyant J.C. Computer generated holograms for testing optical elements. – Applied Optics, 1971, v. 10, № 3, p. 619– 624.
5.Буйнов Г.Н., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мустафин К.С., Рафиков Р.А. Голографический интерференционный контроль асферических поверхностей. – Оптико-механическая промышленность, 1971, № 4, c. 6–11.
6.Schwider J., Buroy R. Testing of aspherics by means of rotational-symmetric synthetic holograms. – Optica Applicata, 1976, v. 6, № 1, p. 83– 88.
7.Ларионов Н.П., Лукин А.В., Мустафин К.С. Искусственная голограмма как оптический компенсатор. – Оптика и спектроскопия, 1972, т.32, в.2, с. 396–399.
8.А. с. 371857 СССР. Искусственная голограмма оптической поверхности/ Н.Ларионов, А.Лукин, К.Мустафин.– Б.И.,1978.
9.Лукин А.В. Голограммные оптические элементы. – Оптический журнал, 2007, т.74, № 1, с. 80 – 87.
10.Агачев А.Р., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Миронова Т.А. и др. Синтезированная голограммная оптика. – Оптический журнал, 2002, т.69, № 12, с. 23–32.
11.А.с. 763070 СССР. Делительная машина/ Г.Гнутова, В.Гунченков, В.Жамов, В.Зверев и др. – Б.И., 1980.
12.А.с. 557621 СССР. Способ контроля радиуса кривизны сферических поверхностей/ В.Казанкова, Н.Ларионов, А.Лукин, Мустафин, Р.Рафиков. – Б.И., 1978.
13.Damman H. Spectral characteristic of stepped-phase gtratings. – Optik, 1979, v. 58, № 5, p. 409–417.
14.Слюсарев Г.Г. Оптические системы с фазовыми слоями. – Доклады АН СССР, 1957, т. 113, № 4 с. 780–783.
15.Белозёров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. – Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007.
16.Беляков Ю.М., Лукин А.В., Мельников А.Н., Рафиков Р.А., Саттаров Ф.А. Комплект голограммных оптических элементов "HOLOS" как техническое средство обучения. – Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2003, № 3, c. 20–23.
17.Патент РФ на изобретение № 1271240. Голограммный оптический элемент. 1985. А.Лукин, К.Мустафин, Р.Рафиков.
18.Фролова Н.П. Дифракционная оптика (обзор). – Оптико-механическая промышленность, 1988, № 9, с. 49–56.
19.Ган М.А. 50 лет киноформной оптики. Итоги и перспективы развития. – Оптический журнал, 2006, т.73, № 7, с. 9–16.
20.Грейсух Г.И., Ежов Е.Г., Левин И.А., Степанов С.А. Расчет высокоапертурных конфокальных дифракционно-линзовых объективов. – Компьютерная оптика, 2011, т. 35, № 1, с. 22–28.
21.Коронкевич В.П., Корольков В.П., Полещук А.Г. Лазерные технологии в дифракционной оптике. – Автометрия, 1998, № 6, с. 5–26.
22.Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В., Нюшкин А.А. Юстировка двухзеркальных центрированных оптических систем с использованием синтезированных голограммных оптических элементов. – Оптический журнал, 2010, т.77, № 6, с.14–18.
23.Балоев В.А., Иванов В.П., Ларионов Н.П., Лукин А.В. и др. Прецизионный метод контроля юстировки двухзеркальных телескопов на основе использования системы кольцевых синтезированных голограмм. – Оптический журнал, 2012, т. 79, № 3, с. 56–64.
Отзывы читателей
