Кремниевая оптика для ИК-объективов

Скачать статью "Кремниевая оптика для ИК-объективов" (PDF, 168 KB)

Мы производим широкий диапазон кремниевой оптики для различных применений, в том числе, и для высококачественных изображающих систем. В изготовлении последних важнейшим звеном является строжайший контроль качества на всех стадиях производства, от выбора материала до измерения итоговых параметров обработки и спектральных характеристик покрытия.


Наш подход к изготовлению изображающей ИК-оптики описан ниже и проиллюстрирован на примере 17-элементного объектива. Объектив был спроектирован для работы в двух спектральных диапазонах: 1.6-3.0 микрона и 3.5-5.5 микрона. Он включает в себя 14 менисковых и плоско-выпуклых линз диаметром от 10 до 210 мм и 3 окна размерами до 134х198 мм.

При изготовлении подобных многокомпонентных объективов необходимо уделять особое внимание интегральному пропусканию системы и искажению изображения в ней. Эти 2 параметра, в свою очередь, определяются качеством материала, точностью изготовления оптических поверхностей, качеством просветляющих покрытий и качеством сборки. Поскольку вопросы контроля качества покрытий подробно освещены в разделе “Покрытия”, а сборка производилась нашим заказчиком, здесь мы остановимся на процедурах контроля качества материала и точности поверхностей.

Требования к материалу и процедура контроля

Для изображающих систем качество материала исключительно важно. Неоднородность показателя преломления вызывает искажение изображения. Рассеяние в материале, например,  на объемных дефектах, понижает контрастность картинки. С другой стороны, завышенные требования к материалу многократно повышают его стоимость и сужают диапазон доступных размеров и, не давая никакого выигрыша в итоговом качестве системы, драматически увеличивают срок поставки материала (а значит и системы). Сами оптические поверхности изображающих систем, как правило, сложны, и следовательно, дороги в производстве, а жёсткие допуски нередко не оставляют возможностей для их переполировки. Следует также иметь в виду, что и в России, и за рубежом производители кремния оперируют «неоптическими» спецификациями, и связь контролируемых при производстве кремния параметров с оптическими свойствами выращенных слитков нетривиальна. Именно поэтому выбор правильной категории кремния и его входной контроль до начала производства оптики оказываются принципиально важными.

В разбираемом случае, с учётом изложенного выше, был выбран бездислокационный монокристаллический кремний, выращенный по методу Чохральского, со специальными требованиями к содержанию некоторых примесей, а также к среднему значению и радиальной однородности удельного электросопротивления. Одним из наших партнёров была проведена специальная серия ростов и изготовлены слитки диаметром 219 мм. От нижнего и верхнего торца каждого слитка были отрезаны контрольные пластины, которые прошли как рутинные тесты качества на заводе-изготовителе, так и дополнительное исследование собственно оптических свойств в нашей лаборатории. Проводилось прямое измерение общего пропускания, рассеяния (процедура подробно описана в статье про германий) и непрямая оценка однородности показателя преломления (при необходимости возможно проведение прямых измерений неоднородности показателя преломления, процедура подробно описана в той же статье). Вот типичная кривая пропускания контрольного образца:

Контроль точности поверхностей изделий

Как указано выше, следующими важными параметрами изображающих ИК-систем являются  точность оптических поверхностей и аттестация их ошибок.

По-прежнему основным методом рутинного производственного контроля остаётся контроль по пробному стеклу. Однако, этот метод мало пригоден для аттестации ответственных высокоточных деталей, т.к. во-первых, он не позволяет фиксировать наблюдаемую картину,  во-вторых, оценка ошибки является субъективной и адекватность этой оценки существенно зависит от опыта контролёра. В таких ответственных случаях после предварительного контроля под пробное стекло проводится окончательная аттестация на интерферометре, сопряженном с системой регистрации и обработки интерферограмм. Компьютерная обработка интерферограммы позволяет получить детальную информацию об общей ошибке поверхности и её компонентах: астигматизме, зонной ошибке, коме, местных ошибках, вычисляет размах ошибки (PtV), среднеквадратическое отклонение и проч.

Данная информация объективна и репродуктивна, не зависит от мнения контролёра и базируется на записанной и доступной для независимого анализа интерферограмме. Например, заказчик может самостоятельно провести расчет ошибок по передаваемой нами картинке или учесть взаимное влияние ошибок различных поверхностей при окончательной сборке системы. Также немаловажно, что информация отображается в чрезвычайно наглядной и удобной для восприятия форме. Удобно и то, что анализу можно подвергнуть как всю интерферограмму, так и любой её участок (см. ниже).

В приведенном примере интерферометрический контроль вёлся в схеме Физо на длине волны  c = 632.8 нм (HeNe лазер). Были использованы соответствующие радиусам кривизны и апертурам измерительные объективы и расширители пучка. Фиксировалось искажение волнового фронта тестового (отраженного от исследуемой поверхности) пучка в сравнении с фронтом отраженного от эталонной сферы опорного пучка. Анализ полученных интерферограмм проводился с помощью специализированного программного обеспечения, ищущего центральные линии полос и аппроксимирующего волновой фронт полиномами Цернике.

На картинках ниже приведены результаты контроля двух поверхностей:  вогнутой поверхности мениска диаметром 210 мм и плоской поверхности окна 198х134 мм.

Интерферометрический контроль ошибки поверхности менисковой линзы Д210 мм

Рис. 2 Интерферограмма поверхности.

  Результаты расчёта

Форма поверхности Контролируемая зона Единицы измерения ошибки Опорная поверхность

вогнутая сфера, R = -206.99 мм вся световая зона (206 мм) микроны сфера

Общая ошибкa

D= .080	LX= 2.839	LY= -.013	C= 2.829	RMS(W)= .031
A= .050	FIA= .354		RMS(W-A)= .023	FA= .442
B0= -.025	RZ= .037
	RMS(W-Z)= .029	FZ= .131
B2= .149
B4= -.149
C= .110	FIC= 164.892		RMS(W-C)= .028	FC= .178

Местная ошибка

R= .139

RMS(M)= .015

 Параметры поверхности 

RMS	MIN	MAX	R	STRL	STRH
.031	-.144	.092	.237	.964	.988

 

X :	-1.000	.000
Y :	.000	-1.000

 

Рис. 3. Восстановленная топография искажений отраженного волнового фронта в двумерном и трёхмерном представлениях.

  Интерферометрический контроль ошибки поверхности плоско-параллельного окна 198х134 мм 

Рис. 4. Интерферограмма поверхности S1.

Заказчику требовалась аттестация данной пластины как по всей апертуре 194х130 мм, так и в центральной зоне 70х70 мм.

Результаты расчёта (вся апертура)

Форма поверхности Контролируемая зона Единицы измерения ошибки Опорная поверхность

плоскость вся световая зона (194 x 130 мм) микроны плоскость

Общая ошибкa

D= .000	LX= 1.447	LY= .033	C= .964	RMS(W)= .014
A= .045	FIA= 82.986		RMS(W-A)= .010	FA= .489
B0= -.014	RZ= .023		RMS(W-Z)= .012	FZ= .235
B2= .064
B4= -.045
C= .012	FIC= 173.740		RMS(W-C)= .014	FC= .009

Местная ошибка

R= .076

RMS(M)= .007

Параметры поверхности

RMS	MIN	MAX	R	STRL	STRH
.014	-.035	.044	.079	.993	.998

X :	-.680	.680
Y :	.680	-.680

 

Рис. 5. Восстановленная топография искажений отраженного волнового фронта в двумерном и трёхмерном представлениях.

Результаты расчёта (центральная зона)

Форма поверхности Контролируемая зона Единицы измерения ошибки Опорная поверхность

плоскость центральная зона (70 x 70 мм) микроны плоскость

Общая ошибкa

D= .000	LX= 2.811	LY= .053	C= 2.045	RMS(W)= .024
A= .104	FIA= 81.477		RMS(W-A)= .011	FA= .787
B0= -.020	RZ= .083		RMS(W-Z)= .016	FZ= .561
B2=.039
B4= .117
C= .022	FIC= 50.186		RMS(W-C)= .023	FC= .014

Местная ошибка

R= .077

RMS(M)= .012

Параметры поверхности 

RMS	MIN	MAX	R	STRL	STRH
.024	-.036	.076	.112	.978	.993

X :	-.200	.680
Y :	.480	-.440