DE3635407A1 - Vorrichtung zur herstellung langer holographischer beugungsgitter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung langer holographischer Beugungsgitter. Derartige Beu­ gungsgitter können z. B. in der Spektroskopie, der Metro­ logie und in der Meßtechnik, insbesondere zur Präzisionsmessung linearer Verschiebungen, verwendet werden.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Herstellung von Beu­ gungsgittern bekannt, die eine Lichtquelle für kohären­ tes Licht und im Strahlengang des kohärenten Licht­ strahls hintereinander ein Kollimatorsystem, ein transparentes zusätzliches Beugungsgitter, eine Kopieun­ terlage und zwei in einer Ebene liegende geritzte Ori­ ginal-Reflexionsgitter aus Glas aufweist, deren Striche der Kopieunterlage zugewandt sind, und die im Kopier­ prozeß in Längsrichtung der senkrecht zur Richtung der kohärenten Strahlung verschiebbar angeordneten Kopieun­ terlage verstellbar sind (vgl. z. B. die Publikation von F. A. Mitin, A. M. Nÿin, G. N. Rassudov "Kombinierte Kopie von Meß-Diffraktionsgittern", Optiko-mekhanicheskava promyshlennost (Optisch-mechanische Industrie), Nr. 9, 1975, S. 47 bis 50) angeordnet sind.

Bei dieser Vorrichtung werden die Beugungsgitter in einem Kontaktkopierverfahren wie folgt hergestellt:

Auf die Kopieunterlage werden zwei Originale aufgelegt und nach an der Verbindungsstelle der Originale beobach­ teten Interferenz-Moir´streifen voreingestellt. Nach Ab­ nehmen der Originale wird die Unterlage mit Harz begos­ sen, worauf die Originale vorsichtig wieder aufgelegt und durch Feder-Niederhalter angedrückt werden, die Ein­ stellung nach dem Moir´-Bild geprüft und, falls erforderlich, eine Feinjustierung im Laufe von 15 bis 20 min durchgeführt wird, bis der Gelpunkt des Harzes er­ reicht ist. Nach 2 h wird das überschüssige Harz ent­ fernt; nach 18 bis 20 h wird die Kopie von den Origina­ len abgetrennt, die mit destilliertem Wasser gespült werden, um die Reste der chemischen Substanzen zu ent­ fernen, die beim Kopieren verwendet wurden.

Mit dieser Vorrichtung können kombinierte Kopien herge­ stellt werden, die eine beliebige Zahl von Teilabschnit­ ten enthalten. Zu diesem Zweck wird von einer zwei Teil­ abschnitte umfassenden Kopie mit den darauf aufgeklebten Originalen das eine abgetrennt und auf eine freie Stelle der Kopieunterlage am Ende des zweiten Originals wieder aufgeklebt. Auf diese Weise können kombinierte Kopien mit einer Strichzahl von bis zu 1200 mm^-1 erzeugt wer­ den.

In der genannten Vorrichtung werden die zu kopierenden Originale gegeneinander mit einer Genauigkeit von ^a /₁₀ angeordnet, wobei a eine Gitterkonstante, d. h. den Strichabstand, bedeutet. Durch die anschließende mechanische Einwirkung auf die Originale wird diese Ge­ nauigkeit allerdings verringert.

Die erläuterte Konstruktion dieser Vorrichtung gestattet es nicht, Beugungsgitter mit einer kontinuierlichen Strichverteilung in Längsrichtung der Kopieunterlage zu erhalten, da an den Stoßstellen der zwei Originalgitter Gebiete ohne Striche entstehen. Der Grund hierfür liegt in der Unmöglichkeit, die aneinanderstoßenden Seitenflä­ chen der Glasunterlagen der Originalgitter auf Bruchtei­ le eines Strichabstandes genau zu bearbeiten, weshalb der erste Strich des zweiten Originals nicht genau in einem Gitterabstand a vom letzten Strich des ersten Ori­ ginals liegen kann.

Bei dieser vorbekannten Vorrichtung ist es ferner auch nicht möglich, gleichen Druck auf zwei verschiedene Ori­ ginale auszuüben und eine Gitterkopie ohne Stufen zu er­ halten, die auf dem Harz an den Stoßstellen gebildet werden.

Die Ausnutzung von (höchstens) zwei Originalgittern beim Kopieren führt zu einer Erhöhung der Genauigkeit bei dieser Vorrichtung (obwohl die höchste Genauigkeit von einem einzigen zu kopierenden Original erhalten werden kann), aber auch zu einer Verringerung der Kopierge­ schwindigkeit, denn man muß abwarten, bis das Harz der ersten Kopien (nach 18 h) polymerisiert ist, und kann erst dann zu weiteren Kopien auf der gleichen Unterlage übergehen.

Holographische Beugungsgitter besitzen Vorteile gegen­ über den oben beschriebenen geritzten Beugungsgittern, da die Liniendichte eines holographischen Beugungsgit­ ters höher liegen und 6000 Linien/mm erreichen kann. Holographische Beugungsgitter können in einem kontaktlo­ sen Interferenzverfahren aufgezeichnet werden, was es grundsätzlich gestattet, Gitter großer Länge mit einer kontinuierlichen Strichverteilung und mit einer hohen Gleichmäßigkeit dieser Verteilung zu erzeugen.

Es ist ferner bereits eine Vorrichtung zur Erzeugung langer holographischer Beugungsgitter bekannt, die eine Lichtquelle für kohärentes Licht und im Strahlengang des kohärenten Lichtstrahls hintereinander ein Zweistrahlin­ terferometer, in dessen beiden Strahlengängen jeweils eine Reihenschaltung aus einem Spiegel, einem kurzbrenn­ weitigen Objektiv, einer Blende und einem Kollimatorob­ jektiv angeordnet sind, eine verschiebbar angeordnete Unterlage mit auf dieser sequentiell aufgezeichneten, nicht in Phase liegenden zusätzlichen Beugungsgittern und mit einer lichtempfindlichen Schicht zum Aufbau eines langen holographischen Beugungsgitters darauf und vier in der Apertur der zusätzlichen holographischen Beugungsgitter und in der Ausgangsapertur des Interfero­ meters liegende und mit einem Registriergerät elektrisch verbundene Photodetektoren aufweist (vgl. z. B. den SU- Urheberschein 6 73 018, Veröffentlichungstag 30. 11. 81).

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Die einzelnen Abschnitte eines zusammenzusetzenden Beu­ gungsgitters werden nach dem Bild von durch die zusätz­ lichen Gitter und das Interferenzfeld sich schneidender Bündel einer kohärenten Strahlung gebildeten Moir´strei­ fen wie folgt phasenrichtig zusammengesetzt:
Zuerst wird mit zwei an einer Seite der Unterlage angeordneten Photodetektoren die Phase der Moir´streifen von einem Teil des Abschnitts des ersten zusätzlichen Beugungsgit­ ters festgehalten und der erste Abschnitt des zusammen­ zusetzenden Beugungsgitters im Interferenzfeld belich­ tet.

Dann wird die Unterlage mit den zusätzlichen Beugungs­ gittern um eine halbe Länge des ersten zusätzlichen Beu­ gungsgitters verschoben und die frühere Phase der Moir´­ streifen mit den gleichen beiden Photodetektoren durch eine geringfügige Verschiebung der Unterlage erneut ein­ gestellt. Mit Hilfe eines zweiten Paars von Photodetek­ toren wird die Phase der Moir´streifen von einem Teil des Abschnitts des zweiten zusätzlichen Beugungsgitters gespeichert und dann die Unterlage um eine halbe Länge des ersten zusätzlichen Beugungsgitters erneut verscho­ ben. Mit Hilfe des zweiten Paares von Photodetektoren wird durch eine weitere geringfügige Verschiebung der Unterlage die Phase der Moir´streifen ermittelt und ge­ speichert, worauf der zweite Abschnitt des aufzubauenden Beugungsgitters belichtet wird.

Dieser Vorgang wird wiederholt, bis ein zusammenge­ setztes Beugungsgitter der Sollänge belichtet worden ist.

Diese Vorrichtung gestattet es prinzipiell, holo­ graphische Beugungsgitter unbegrenzter Länge bei einem kontinuierlichen Verlauf der Striche in Richtung der Länge der Unterlage ohne "Stufen" an den Stoßstellen in­ folge des Wegfalls eines mechanischen Kontaktes zwischen dem Original und dem die Rolle einer Kopie übernehmen­ den, zusammenzusetzenden Beugungsgitter mit einer Genau­ igkeit von ^a /₁₀ zu erzeugen, wobei a den Strichabstand bedeutet.

Eine derartige konstruktive Lösung, bei der die zusätz­ lichen Beugungsgitter auf der gleichen Unterlage mit dem zusammenzusetzenden Gitter aufgezeichnet sind, gestattet es aber wegen der einmaligen Verwendung der zusätzlichen Gitter nicht, ein zusammengesetztes Gitter mit einer höheren Genauigkeit zu erzeugen. Dies erschwert wiederum eine Wiederholung von Messungen an ein und denselben Gittern.

Darüber hinaus ist die Erzeugung der zusätzlichen Gitter durch Belichtung und photochemische Bearbeitung ohne Be­ schädigung der lichtempfindlichen Schicht schwierig und aufwendig. Das gleiche trifft auch für das Ablösen der zusammengesetzten Gitter zu, die zu einer Beschädigung des Gitters und der Entstehung von mechanischen Span­ nungen in der Unterlage führen kann.

Die Aufzeichnung der zusätzlichen Gitter auf der glei­ chen Unterlage mit dem zusammenzusetzenden Gitter kompliziert also auch den Betrieb der Vorrichtung und macht sie für die praktische Anwendung zu aufwendig.

Die Anwendung der zwei Paare von Photodetektoren, an denen der Amplitudenwert von durch ein Registriergerät (Voltmeter) aufgezeichneten Signalen abgenommen wird, gestattet es ferner nicht, eine hohe Genauigkeit des zusammengesetzten Gitters bei einer phasensynchronisier­ ten Verbindung zweier benachbarter Abschnitte zu errei­ chen, da bei dieser Betriebsart die Photodetektoren ge­ gen äußere Störungen, wie Leistungsänderungen der Strom­ quelle, Wärmerauschen, Vibrationen u. a., sehr empfindlich sind.

Die Anordnung von Ausgangsaperturen der Photodetektoren in einer senkrecht zur Unterlage liegenden Ebene gibt keine Möglichkeit, mit den kontrastreichsten Interfe­ renz-Moir´streifen zu arbeiten und ein durch andere Beu­ gungsordnungen hervorgerufenes Rauschen zu beseitigen, was die Genauigkeit der Phasensynchronisierung gleich­ falls verringert.

Die Verschiebung der Unterlage hat Verformungen des In­ terferometers und damit auch eine Änderung der Linien­ dichte des Interferenzfelds nach jeder Verschiebung und damit eine Verringerung der Genauigkeit des zusammenzu­ setzenden Gitters zur Folge.

Eine ungenaue Verschiebung der Unterlage bedingt eine Abweichung der Unterlage in einer durch die optischen Achsen der beiden Strahlen des Interferometers festge­ legten Ebene, was sich auch auf die Dichte der auf dem zusammenzusetzenden Gitter aufgezeichneten Linien des Interferenzfelds und folglich auf seine Genauigkeit aus­ wirkt.

Während der Belichtung können äußere Faktoren, die zu Vibrationen des Interferometers führen, die Phasensyn­ chronisation der Striche von zwei benachbarten Abschnit­ ten des zusammenzusetzenden Gitters beeinflussen und zu verringerter Genauigkeit führen.

Aus den oben erläuterten Gründen ist also mit der be­ schriebenen herkömmlichen Vorrichtung keine hohe Genau­ igkeit des aufgebauten Gitters zu erzielen, die zudem im Betrieb kompliziert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Aufbau langer holographischer Beugungsgitter anzugeben, bei der die Unterlage in der Weise herge­ stellt ist und solche Mittel vorgesehen sind, daß lange holographische Beugungsgitter mit höherer Genauigkeit als beim Stand der Technik aufgebaut werden können, wo­ bei zugleich der Betrieb der Vorrichtung vereinfacht sein soll.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Synthese langer holographischer Beugungsgitter weist eine Lichtquelle für kohärentes Licht und im Strahlengang des kohärenten Lichtstrahls hintereinander ein Zweistrahlinterfero­ meter, dessen jeder Teilstrahlengang eine Reihenschal­ tung aus einem Spiegel, einem kurzbrennweitigen Ob­ jektiv, einer Blende und einem Kollimatorobjektiv aufweist, eine verschiebbar angeordnete Unterlage mit auf dieser sequentiell aufgezeichneten, nicht in Phase liegenden zusätzlichen holographischen Beugungsgittern und mit einer lichtempfindlichen Schicht zur Synthese eines langen holographischen Beugungsgitters darauf so­ wie vier in der Apertur der zusätzlichen holographischen Beugungsgitter und in der Ausgangsapertur des Interfero­ meters liegende und mit einem Registriergerät elektrisch verbundene Hauptphotodetektoren auf; sie ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:

• - Eine Unterlage, die aus einem ersten Teil und einem zweiten Teil besteht, die hintereinander im Strahlen­ gang des kohärenten Lichtstrahls angeordnet und starr miteinander verbunden sind, wobei auf dem ersten Teil die lichtempfindliche Schicht aufgebracht ist, und auf dem zweiten Teil, die zusätzlichen holographischen Beu­ gungsgitter liegen,
• - vier Hauptphotodetektoren, die in einer senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Ebene des einen Teilstrah­ lengangs des Interferometers angeordnet sind, wobei ein erstes und ein zweites Paar von Hauptphotodetektoren an einander gegenüberliegenden Seiten des ersten Teils der Unterlage und symmetrisch um diese vorgesehen sind,
• - zwei Elektrostriktionszellen, die jeweils in einem der beiden Teilstrahlengänge angeordnet sind, wobei an einer der Elektrostriktionszellen, die mit einer Wechselspan­ nungsquelle und einer Gleichspannungsquelle elektrisch verbunden ist, der Spiegel befestigt ist, während an der anderen Elektrostriktionszelle, die mit einer Gleich­ spannungsquelle elektrisch verbunden ist, das kurzbrenn­ weitige Objektiv mit der Blende angeordnet ist,
• - ein in der Ausgangsapertur des Interferometers vor der Unterlage angeordnetes zusätzliches holographisches Beugungsgitter,
• - zwei weitere Hauptphotodetektoren, die in der gleichen Ebene wie die erstgenannten Hauptphotodetektoren und auf einer Seite des ersten Teils der Unterlage zusammen mit dem zweiten Paar von Hauptphotodetektoren mit diesem auf einer Geraden liegen und auf der Geraden in einem glei­ chen Abstand von diesen angeordnet sind,
• - zwei in der Apertur des zusätzlichen holographischen Beugungsgitters und auf einer senkrecht zu den Linien des Interferenzfeldes verlaufenden Geraden liegende zu­ sätzliche Photodetektoren,
• - eine Schalteinheit, an deren Eingängen sämtliche Photo­ detektoren und die Wechselspannungsquelle und an deren einem Ausgang ein Voltmeter angeschlossen sind,
• - zwei Selektivverstärker, deren Eingänge mit den übrigen Ausgängen der Schalteinheit verbunden sind, und
• - ein mit den Ausgängen der Selektivverstärker verbundener Phasenmesser als Registriergerät.

Diese konstruktive Ausführung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung gestattet es, lange holographische Beugungsgitter höherer Genauigkeit zusammenzusetzen und den Betrieb der Vorrichtung zu vereinfachen, was bei einer Massenfertigung von Beugungsgittern von besonderer Bedeutung ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels und der Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbau langer holographischer Beugungsgitter in axonometrischer Darstel­ lung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des optischen und elektronischen Aufbaus der Vorrichtung von Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeils A in Fig. 2 und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Anordnung der Photodetektoren in bezug auf die Unterla­ ge bei der Vorrichtung von Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbau langer holographischer Beugungsgitter umfaßt eine auf einem Träger angeordnete Lichtquelle 2 für ko­ härentes Licht im vorliegenden Beispielsfall einen Laser, und hintereinander im Strahlengang B des kohärenten Licht­ strahls ein Zweistrahlinterferometer 3, ein zusätzliches holographisches Gitter 4, eine Unterlage 5, sechs Haupt­ photodetektoren 6, 7, 8, 9, 10, 11 und zwei zusätzliche Photodetektoren 12 und 13 (Fig. 2).

Das Zweistrahlinterferometer 3 (Fig. 1 und 2) enthält als Strahlteiler 14 ein Prisma bzw. einen Strahlteilerwürfel, welche die kohärente Strahlung in zwei Teilstrahlenbündel aufteilen, und umfaßt zwei Teilstrahlengänge. Der eine Teilstrahlengang C weist einen Spiegel 15 auf. Die beiden Teilstrahlengänge C bzw. D umfassen ferner einen Spiegel 16 bzw. 17, ein kurzbrennweitiges Objektiv 18 bzw. 19, eine Blende 20 bzw. 21 und ein Kollimatorobjektiv 22 bzw. 23.

Der Strahlteiler 14 (Fig. 1) und der Spiegel 15 sind auf einem gemeinsamen Untersatz 24 vorgesehen, der auf dem Träger 1 angeordnet ist.

Der Spiegel 16 ist auf einem Untersatz 25 vorgesehen, der auf dem Träger 1 angeordnet ist. Das Objektiv 18 und die Blende 20 sind wiederum auf einem gemeinsamen Untersatz 26 angebracht, der auf einem Vorsprung des Untersatzes 25 vorgesehen ist und eine Elektrostriktionszelle 27 trägt.

Das Objektiv 19 und die Blende 21 befinden sich auf einem gemeinsamen Untersatz 28. Der Spiegel 17 ist an einer Elektrostriktionszelle 29 befestigt, der auf dem Untersatz 28 angeordnet ist.

Die Kollimatorobjektive 22 und 23 sind in eine gemeinsame Fassung 30 eingesetzt, die auf dem Träger 1 angeordnet ist.

Das zusätzliche holographische Beugungsgitter 4 ist in der Ausgangsapertur des Interferometers 3 vor der Unterlage 5 vorgesehen.

Die Unterlage 5 ist in einem Rahmen 31 eingefaßt, der hin- und herbewegbar ist, und in Form zweier Teile, eines er­ sten Teils 32 und eines zweiten Teils 33, ausgeführt, die hintereinander im Strahlengang C bzw. D des Lichtstrahls liegen und mit dem Rahmen 31 starr miteinander verbunden sind. Auf dem ersten Teil 32 (Fig. 2 und 3) der Unterlage 5 ist eine lichtempfindliche Schicht zum Aufbau eines lan­ gen holographischen Beugungsgitters aufgebracht, während auf dem zweiten Teil 33 sequentiell nicht in Phase liegen­ de zusätzliche holographische Beugungsgitter aufgezeichnet sind.

Der Rahmen 31 (Fig. 1) ist mit einem Schlitten 34 gekop­ pelt, der an einem mit dem Träger 1 starr verbundenen Trä­ ger 35 angeordnet und auf diesem mit einem am Träger 35 befestigten Elektromotor 36 verschiebbar ist, dessen Aus­ gangswelle mit einer Schraubenspindel 37 verbunden ist, in die eine mit dem Schlitten 34 über einen Halter 39 verbun­ dene Mutter 38 eingreift, so daß der Schlitten 34 bei Dre­ hung der Schraubenspindel 37 verschiebbar ist. Das andere Ende der Schraubenspindel 37 ist in einer am Träger 35 vorgesehenen Lagerbüchse 40 gelagert.

Elektromotoren 41 und 42 sind mit dem Rahmen 31 verbunden und ermöglichen ein Schwenken des Rahmens 31 in bezug auf den Schlitten 34 um einen Sollwinkel α (Fig. 4) bzw. β (Fig. 2).

Die Hauptphotodetektoren 6, 7, 8 und 9 sind in der Apertur des zusätzlichen holographischen Beugungsgitters angeord­ net, wobei in der Ausgangsapertur des Interferometers 3 in einer auf der optischen Achse des einen Strahlengangs des Interferometers 3 senkrecht stehenden Ebene je zwei Haupt­ photodetektoren 6, 8 und 7, 9 (Fig. 4) an einander gegen­ überliegenden Seiten des ersten Teils 32 der Unterlage 5 und symmetrisch um diese angeordnet sind. Die Hauptphoto­ detektoren 6, 7, 8, 9, 10 und 11 (Fig. 1) sind in einem gemeinsamen Gehäuse 43 angeordnet, das mit Hilfe eines Halters 44 mit einem Gehäuse 45 starr verbunden ist, in dem das zusätzliche holographische Beugungsgitter 4 und die zusätzlichen Photodetektoren 12 und 13 vorgesehen sind und das mit der Fassung 30 starr verbunden ist.

Die zusätzlichen Photodetektoren 12 und 13 (Fig. 4) sind in der Apertur des zusätzlichen holographischen Beugungs­ gitters 4 und in einer senkrecht zu den Linien des Inter­ ferenzfeldes verlaufenden Geraden 46 angeordnet.

Die Hauptphotodetektoren 10 und 11 liegen in der gleichen Ebene wie die Hauptphotodetektoren 6, 7, 8 und 9 auf einer Seite des ersten Teils 32 der Unterlage 5 und zwar auf einer Geraden 47 auf derselben Seite wie die Hauptphotode­ tektoren 7 und 9 und in einem gleichen Abstand b von die­ sen. Die Hauptphotodetektoren 6 und 8 liegen auf einer zur Geraden 47 parallel verlaufenden Geraden 48.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ferner eine Schalteinheit 49 (Fig. 2) vorgesehen, an deren Eingängen sämtliche Photodetektoren 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13 und eine Wechselspannungsquelle 50 angeschlossen sind und deren Ausgang an eine mit einer Gleichspannungsquelle 51 elektrisch verbundene Elektrostriktionszelle 29 ange­ schlossen ist. Einer der Ausgänge der Schalteinheit 49 ist an ein Voltmeter 52 angeschlossen, während die beiden anderen Ausgänge mit den Eingängen von Selektivverstärkern 53 bzw. 54 verbunden sind, deren Ausgänge an einem als Re­ gistriergerät dienenden Phasenmesser 55 angeschlossen sind. Die Schalteinheit 49 ist ferner mit den Elektromoto­ ren 36, 41 und 42 elektrisch verbunden. Die Elektrostrik­ tionszelle 27 ist an eine Gleichspannungsquelle 56 ange­ schlossen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet im Prinzip wie folgt:

Mit dem Interferometer 3 (Fig. 1) wird ein Winkel R ge­ wählt und eingestellt, der einer bestimmten Dichte des Interferenzfelds und einem vorgegebenen Strichabstand eines aufzubauenden holographischen Gitters entspricht. Der zweite Teil 33 der Unterlage 5 wird zur Aufzeichnung auf dem zweiten Teil der Unterlage mit den nicht in Phase liegenden zusätzlichen holographischen Beugungsgittern im Rahmen 31 befestigt; der Schlitten 34 wird dann verscho­ ben, wobei der Anfangsabschnitt der Unterlage 5 vor das Interferenzfeld gebracht wird, wonach auf dieser abschnittsweise, ohne die Striche an der Grenze der zwei benachbarten Abschnitte in Phase zu bringen, aufgezeichnet wird.

Falls eine im Echtzeitbetrieb arbeitende Registrierschicht verwendet wird, wird dieser Teil der Unterlage nicht be­ wegt.

Falls aber eine photochemische Bearbeitung der Unterlage erforderlich ist, wird diese Bearbeitung durchgeführt und diese Unterlage anschließend in den Rahmen 31 eingesetzt. Im Rahmen 31 wird der erste Teil 32 der Unterlage 5 mit der lichtempfindlichen Schicht angeordnet und mit dem zweiten Teil 33 der Unterlage 5 starr verbunden. Der zwei­ te Teil 33 (Fig. 4) der Unterlage 5 mit den nicht in Phase liegenden zusätzlichen Beugungsgittern ist um so viel breiter als der erste Teil 32 der Unterlage 5 mit der lichtempfindlichen Schicht hergestellt, daß der letztere die Felder der Hauptphotodetektoren 6, 7, 8, 9, 10 und 11 nicht überdeckt.

Die genannten Hauptphotodetektoren sind in einer senkrecht zur optischen Achse des einen Strahlengangs des Interfero­ meters 3 (Fig. 2) in einem der Strahlbündel des kohärenten Lichtstrahls liegenden Ebene angeordnet, was die Möglich­ keit gibt, mit den kontrastreichsten Interferenz-Moir´­ streifen zu arbeiten und ein durch die Anwesenheit anderer unerwünschter Beugungsordnungen hervorgerufenes Rauschen zu eliminieren, da in diesem Strahlengang nur die nullte Beugungsordnung des betreffenden Strahlenbündels und die erste Beugungsordnung des anderen Strahlenbündels vorlie­ gen.

Anschließend werden der Anfangsabschnitt des ersten Teils 32 der Unterlage 5 mit der lichtempfindlichen Schicht vor dem Interferenzfeld des Interferometers 3 und die Fläche der lichtempfindlichen Schicht senkrecht zur Winkelhalbie­ renden des Winkels R durch Schwenkung des Rahmens 31 mit Hilfe des Elektromotors 42 um einen Winkel β angestellt. Die nicht in Phase liegenden Beugungsgitter werden durch Schwenkung des Rahmens 31 um einen Winkel α (Fig. 4) mit Hilfe des Elektromotors 41 (Fig. 2) auf einen endlosen In­ terferenz-Moir´streifen eingestellt. Auf den endlosen Interferenz-Moir´streifen wird auch das zusätzliche holo­ graphische Beugungsgitter 4 eingestellt, das für eine Korrektur der Liniendichte des Interferenzfelds vorgesehen ist.

Um die Genauigkeit der Bestimmung der Phasendifferenz in den Pausen zwischen den Belichtungen der einzelnen Ab­ schnitte des zusammenzusetzenden Beugungsgitters zu erhö­ hen, wird in einem dynamischen Betrieb gearbeitet. Zu die­ sem Zweck wird der Elektrostriktionszelle 29 eine Wechsel­ spannung von der Wechselspannungsquelle 50 zugeführt. Die dynamische Durchführung der Phasendifferenzmessung führt zu einer Modulation der Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlenbündeln und gestattet es, die Meßgenauigkeit bis auf 2 bis 3° und darunter zu bringen.

Bei der Belichtung wird der dynamische Betrieb nicht ange­ wandt, weil er einen steilen Abfall des Kontrasts der Interferenzlinie des Interferenzfelds herbeiführt. Auf­ grund einer nichtidealen fortschreitenden Bewegung des Schlittens 34 (Fig. 1) beim Zurücklegen einer Strecke 1 (Fig. 4), die gleich dem Abstand zwischen den Hauptphoto­ detektoren 6, 8 bzw. 7, 9 ist, haben die auf dem ersten Abschnitt des zu synthetisierenden Beugungsgitters aufge­ zeichneten Striche ihre Richtung gegenüber den Linien des Interferenzfelds, die auf dem zweiten Abschnitt zu kopie­ ren sind, geändert. Die Striche des aufgezeichneten Ab­ schnitts des Beugungsgitters und die Linien des Interfe­ renzfelds sind daher zueinander parallel einzurichten und miteinander in Phase zu bringen. Zu diesem Zweck wird eine Korrektur der Winkel α und β durch Umschaltung des jewei­ ligen Paares von Photodetektoren - 6, 7 und 8, 9 für den Winkel α bzw. 7, 10 und 9, 11 für den Winkel β - vorge­ nommen, deren Signale über die Schalteinheit 49 und die Selektivverstärker 53 und 54 auf den Phasenmesser 55 gege­ ben werden.

Eine phasensynchronisierte, phasenrichtige Verbindung der beiden Abschnitte des aufzubauenden Beugungsgitters wird nach der Phasendifferenz zwischen dem Signal des einen der Hauptphotodetektoren 6, 7, 8, 9 und dem Synchronisiersig­ nal von der Wechselspannungsquelle 50 hergestellt.

Im Zusammenhang damit, daß der erste Abschnitt des zu synthetisierenden Beugungsgitters mit keinem anderen seiner vorhergehenden Abschnitte verbunden werden kann, werden vor der Belichtung lediglich folgende Phasendiffe­ renzen Δϕ aufgespeichert, wobei in der runden Klammer die Bezugszeichen der Photodetektoren angegeben sind, an denen die Phasendifferenz Δϕ abgenommen wird, und der Index ϕ auf die Art der beim Aufbau des Beugungsgitters vorgenommenen Korrektur hinweist:

Δϕ ₁ (8, 9);
Δϕ ₂ (9, 11);
Δϕ ₃ (Synchronisiersignale);
Δϕ ₄ (12, 13).

Danach wird die Wechselspannungsquelle 50 abgeschaltet. Dann wird der erste Abschnitt belichtet.

Bei der Belichtung des aufzubauenden Beugungsgitters muß die Phasensynchronisierung bei den Abschnitten korrigiert werden, was durch Regelung der der Elektrostriktionszelle 29 von der Gleichspannungsquelle 51 zugeführten Gleichspan­ nung erreicht wird.

Die Phasensynchronisierung bei den zwei benachbarten Ab­ schnitten des aufzubauenden Beugungsgitters wird in diesem Fall mit der Schalteinheit 49 überwacht, über die das Sig­ nal vom Hauptphotodetektor 9 zum Voltmeter 52 gelangt.

Nach der Belichtung des aufzubauenden Beugungsgitters wird die Wechselspannungsquelle 50 wieder eingeschaltet und der Schlitten 34 (Fig. 1) um die Länge eines Abschnitts des zu synthetisierenden Beugungsgitters verschoben, die gleich 1 ist (Fig. 4). Bei der Verschiebung des Schlittens 34 (Fig. 1) kann sich die Liniendichte des Interferenzfelds des Interferometers 3 infolge einer Verformung des Trägers 1 ändern. Die dadurch verursachte Abweichung der Dichte D von der Solldichte wird durch das zusätzliche Beugungsgit­ ter 4 überwacht, in dessen Apertur die Photodetektoren 12, 13 angeordnet sind. Die Liniendichte wird durch die Elektrostriktionszelle 27 korrigiert, die durch die Gleichspannungsquelle 56 (Fig. 2) gesteuert wird, da bei geringfügigen Verschiebungen des Untersatzes 26, auf dem das kurzbrennweitige Objektiv 18 mit der Blende 20 ange­ ordnet ist, eine Änderung des Winkels R zwischen den opti­ schen Achsen der beiden Teilstrahlengänge des Interfero­ meters 3 erfolgt, was wiederum eine Änderung der Linien­ dichte des Interferenzfelds bewirkt. Deshalb wird die Größe Δϕ (12, 13) der Phasendifferenz bei diesem Paar von Photodetektoren wiederhergestellt, so daß

Δϕ ₄ (12, 13) = Δϕ′₄ (12, 13)

ist. Der Indexstrich weist darauf hin, daß sich die Unter­ lage 5 um einen Abschnitt des zu synthetisierenden Beu­ gungsgitters verschoben hat.

Im folgenden werden die Winkel α und β korrigiert. Zu diesem Zweck wird bei den jeweiligen Paaren von Photo­ detektoren 6, 7; 8, 9; 7, 10 und 9, 11, vor denen sich der Abschnitt der Unterlage mit den nicht in Phase liegenden Beugungsgittern befindet, die jeweilige Phasendifferenz wiederhergestellt, so daß

für α Δϕ ₁ (8, 9) = Δϕ′₁ (6, 7),
für β Δϕ ₂ (9, 11) = Δϕ′₂ (7, 10)

sind.

Die Winkel α und β werden durch Schwenken des Rahmens 31 mit der Unterlage 5 um entsprechende Winkel mittels der Elektromotoren 41 bzw. 42 korrigiert. Dann wird eine Pha­ sensynchronisierung der Striche des ersten Abschnitts des zu synthetisierenden Beugungsgitters mit den Linien des Interferenzfeldes für eine exakte Phasensynchronisierung der Verbindung des ersten Abschnitts des zu synchronisie­ renden Beugungsgitters mit dessen zweitem Abschnitt vorge­ nommen. Dies geschieht unter Einhaltung der Gleichheitsbe­ dingung

Δϕ (9, Synchronisiersignal) = Δϕ′₃ (7, Synchronisiersignal)

durch Verschiebung der Wellenfront in einem der Teilstrah­ lengänge des Interferometers 3 mit Hilfe der Elektrostrik­ tionszelle 29 und der Gleichspannungsquelle 51. Dann wer­ den die Beträge der Phasendifferenzen Δϕ′₁ (8, 9), Δϕ′₂ (9, 11), Δϕ′₃ (9, Synchronisiersignal) und Δϕ′₄ (12, 13) eingespeichert. Die Wechselspannungsquelle 50 wird abge­ schaltet und ein zweiter Abschnitt des zu synthetisieren­ den Beugungsgitters der Unterlage 5 belichtet, wobei wäh­ rend der Belichtung die Einhaltung von Δϕ′₃ der Korrektur überwacht wird. Im folgenden wird der Zyklus einer phasensynchronisierten Verbindung zweier Abschnitte des zusammenzusetzenden Beugungsgitters mehrmals wieder­ holt, bis ein holographisches Beugungsgitter der Sollänge aufgebaut ist.

Die konstruktive Konzeption der erfindungsgemäßen Vor­ richtung gestattet es, holographische Beugungsgitter un­ begrenzter Länge mit einer kontinuierlichen Strichvertei­ lung herzustellen.

Die hohe Genauigkeit der mit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung erhältlichen Beugungsgitter resultiert aus fol­ genden Gegebenheiten:

Die Unterlage ist in zwei Teile geteilt, was die Möglich­ keit gibt, den zweiten Teil der Unterlage unter minimalen Verzerrungen im Interferenzfeld anzuordnen, was wiederum eine genauere Bestimmung und Vornahme der Korrekturen er­ möglicht.

Die Hauptphotodetektoren liegen in einer auf der optischen Achse des einen Teilstrahlengangs des Interferometers senkrecht stehenden Ebene und sind damit in der Lage, die kontrastreichsten Interferenzstreifen zu demodulieren, wo­ bei infolge der Befestigung des einen der Spiegel des In­ terferometers an einer durch ein Signal von einem Wechsel­ spannungsgenerator modulierten Elektrostriktionszelle eine Phasenmodulation möglich ist. Mit Hilfe dieser Elektro­ striktionszelle erfolgt die phasensynchronisierte Ver­ bindung der zwei benachbarten Abschnitte mit höchstmögli­ cher Genauigkeit durch Phasenmessungen bei der Bestimmung und Durchführung der Korrektur, wobei die Korrektur der Phasensynchronisation selbst während der Belichtung im Amplitudenmodulationsbetrieb weiter überwacht wird.

Die mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung synthetisier­ ten holographischen Beugungsgitter besitzen eine hohe Gleichmäßigkeit der Strichverteilung längs eines beliebi­ gen Abschnitts ihrer Länge bei gleichen Strichabständen. Die Konstanz dieser Abstände wird durch Einführung der zwei Hauptphotodetektoren in die Apertur des zweiten Teils der Unterlage, der zweiten Elektrostriktionszelle, des zu­ sätzlichen Beugungsgitters und der zusätzlichen Photo­ detektoren in dessen Apertur beibehalten. Derartige Beu­ gungsgitter, bei deren Aufbau eine Überwachung der Strich­ abstände durchgeführt wurde, die im Phasenmodulationsbe­ trieb erfolgt, weisen eine höhere Genauigkeit auf.

Die Genauigkeit wird auch dadurch erhöht, daß die Steue­ rung sämtlicher Baugruppen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung kontaktlos elektrisch durchgeführt wird, weshalb nachteilige Einwirkungen von Vibrationen auf die Messungen auf ein Minimum reduziert sind.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Aufteilung der Unterlage in zwei Teile vereinfacht, wobei zugleich die Herstellung des zweiten Teils der Un­ terlage vereinfacht ist, der mehrfach verwendet werden kann. Zugleich werden bei seiner Herstellung Zeit und Ma­ terial eingespart, wobei wesentlich ist, daß die Genauig­ keit des ersten Teils der Unterlage durch seine Konzeption als autonomes Teil beibehalten werden kann.

Beispiel

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde ein 700 mm langes holographisches Beugungsgitter mit einem Fehler von nicht über 0,2 µm zusammengesetzt. Die Phasendif­ ferenzmessung erfolgte durch die Paare der Photodetektoren in den Pausen zwischen den Belichtungen der einzelnen Ab­ schnitte im dynamischen Betrieb bei einer Modulationsfre­ quenz der Wellenfront durch die Elektrostriktionszelle von 35 Hz bei sägezahnförmigen Schwingungen. Das Beugungsgit­ ter wurde durch einen Laser mit einer Wellenlänge von λ = 0,6328 µm aufgezeichnet, wobei der Winkel R einer Dichte des Interferenzfelds von 1000 Linien/mm entsprach.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Aufbau langer holographischer Beugungs­ gitter mit

   • - einer Lichtquelle (2) für kohärentes Licht und im Strah­ lengang (B) des kohärenten Lichtstrahls hintereinander
   • - einem Zweistrahlinterferometer (3), dessen Teilstrahlen­ gänge (C, D) jeweils eine Reihenschaltung aus
     • - einem Spiegel (16 bzw. 17),
     • - einem kurzbrennweitigen Objektiv (18 bzw. 19),
     • - einer Blende (20 bzw. 21) und
     • - einem Kollimatorobjektiv (22 bzw. 23)
   • aufweisen,
   • - einer verschiebbar angeordneten Unterlage (5) mit darauf sequentiell aufgezeichneten, nicht in Phase liegenden zusätzlichen holographischen Beugungsgittern und mit einer lichtempfindlichen Schicht zum Zusammensetzen eines langen holographischen Beugungsgitters darauf und
   • - vier in der Apertur der zusätzlichen holographischen Beugungsgitter und in der Ausgangsapertur des Inter­ ferometers (3) liegenden und mit einem Registriergerät elektrisch verbundenen Hauptphotodetektoren (6, 7, 8, 9),
2. dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:

   • - eine Unterlage (5) aus einem ersten Teil (32) und einem zweiten Teil (33), die hintereinander im Strahlengang (B) des kohärenten Lichtstrahls angeordnet und starr miteinander verbunden sind, wobei auf dem ersten Teil (32) die lichtempfindliche Schicht aufgebracht ist, und auf dem zweiten Teil (33) die zusätzlichen holographi­ schen Beugungsgitter liegen,
   • - vier Hauptphotodetektoren (6, 7, 8, 9), die in einer senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Ebene des einen Teilstrahlengangs des Interferometers (3) ange­ ordnet sind, wobei je zwei Hauptphotodetektoren (6, 8; 7, 9) an einander gegenüberliegenden Seiten des ersten Teils (32) der Unterlage (5) und symmetrisch um diese vorgesehen sind,
   • - zwei Elektrostriktionszellen (27, 29), die jeweils in einem der Teilstrahlengänge (C bzw. D) angeordnet sind, wobei an der im Teilstrahlengang D befindlichen Elek­ trostriktionszelle (29), die mit einer Wechselspannungs­ quelle (50) und einer Gleichspannungsquelle (51) elek­ trisch verbunden ist, der Spiegel (17) befestigt ist, während an der anderen Elektrostriktionszelle (27), die mit einer Gleichspannungsquelle (56) elektrisch verbun­ den ist, das kurzbrennweitige Objektiv (18) mit der Blende (20) angeordnet ist,
   • - ein in der Ausgangsapertur des Interferometers (3) vor der Unterlage (5) angeordnetes zusätzliches holographi­ sches Beugungsgitter (4),
   • - zwei weitere Hauptphotodetektoren (10, 11), die in der gleichen Ebene wie die Hauptphotodetektoren (6, 7, 8, 9) und auf einer Seite des ersten Teils (32) der Unterlage (5) zusammen mit den Hauptphotodetektoren (7, 9) mit diesem auf einer Geraden (47) liegen und auf der Geraden ( 47) in einem gleichen Abstand (b) von diesen angeordnet sind,
   • - zwei in der Apertur des zusätzlichen holographischen Beugungsgitters (4) und auf einer senkrecht zu den Li­ nien des Interferenzfeldes verlaufenden Geraden (46) liegende zusätzliche Photodetektoren (12, 13),
   • - eine Schalteinheit (49), an deren Eingängen sämtliche Photodetektoren (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) und die Wechselspannungsquelle (50) und an deren einem Ausgang ein Voltmeter (52) angeschlossen sind,
   • - zwei Selektivverstärker (53, 54), deren Eingänge mit den übrigen Ausgängen der Schalteinheit (49) verbunden sind, und
   • - ein mit den Ausgängen der Selektivverstärker (53, 54) verbundenes Phasenmesser (55) als Registriergerät (Fig. 2).