RU2377615C1

RU2377615C1 - Device for optical recording diffraction structures

Info

Publication number: RU2377615C1
Application number: RU2008110810/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Григорьевич Полещук (RU); Александр Григорьевич Полещук
Original assignee: Институт автоматики и электрометрии СО РАН
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2009-12-27
Also published as: RU2008110810A

Abstract

FIELD: physics; optics.

SUBSTANCE: invention relates to optical instrument making, and specifically to making diffraction optical structures and elements. The device for optical recording diffraction structures includes a base plate with an opening in which is fitted a spindle unit with a workpiece, at least two guides, a movable table with at least two sliders, fitted with aerostatic bearings and rigidly connected to each other using a connector assembly, a recording head, a radiation source, a control unit, a reflecting element, a laser interferometre unit, which is connected by a light beam with the reflecting element and radiation source, and electrically connected to the control unit, a linear motor unit, which is electrically connected to the control unit and kinematically connected to the movable table.

EFFECT: increased accuracy of micro- and nano-processing materials for making diffraction optical elements, simple design and miniaturisation of the device.

6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к технике изготовления дифракционных оптических структур и элементов (зонных пластинок Френеля, кольцевых и радиальных дифракционных решеток, синтезированных голограмм и др.) путем микро- и нанообработки поверхности оптических материалов преимущественно с использованием лазерного излучения.The invention relates to optical instrumentation, and in particular to a technique for manufacturing diffractive optical structures and elements (Fresnel zone plates, ring and radial diffraction gratings, synthesized holograms, etc.) by micro- and nano-processing of the surface of optical materials primarily using laser radiation.

В настоящее время известно много способов и устройств для изготовления дифракционных структур. До последнего времени для их изготовления применялось оборудование, созданное для производства микросхем (У.Моро, Микролитография. Принципы, методы, материалы. - М.: Мир, 1990). Однако применение таких устройств не обеспечивало высокую точность формирования дифракционной структуры, так как рассеяние света на прямых углах микроструктур приводило к появлению дополнительных оптических шумов и искажений в формируемом дифракционным элементом изображении.Currently, there are many methods and devices for the manufacture of diffraction structures. Until recently, equipment manufactured for the production of microcircuits was used for their manufacture (W. Moro, Microlithography. Principles, methods, materials. - M.: Mir, 1990). However, the use of such devices did not provide high accuracy of the formation of the diffraction structure, since light scattering at right angles of the microstructures led to the appearance of additional optical noise and distortion in the image formed by the diffraction element.

Существует много типов дифракционных структур, для изготовления которых предпочтительной является не прямоугольная, а полярная система координат. К ним относится основная часть фокусирующей оптики, синтезированные голограммы, корректоры волновых фронтов и т.д. Так, например, дифракционные элементы для контроля асферических зеркал телескопов (компенсаторы) должны иметь точность выполнения кольцевой дифракционной структуры не хуже 25-50 нм, минимальный период менее 1 мкм и диаметр несколько сотен миллиметров (Т.Kim, J.Н.Burge, Y. Lee, and S.Kim. Null test for a highly paraboloidal mirror // APPLIED OPTICS Vol.43, No.18 pp.3614-3620). Для управления лазерным излучением в УФ-диапазоне необходимо обеспечить формирование дифракционных структур с минимальным периодом 100-200 нм и точностью 1-2 нм. Дифракционные элементы такого типа могут быть изготовлены с нанометровой точностью только с помощью специализированных устройств, основанных на круговом сканировании сфокусированным пучком лазера. В известных устройствах этого типа заготовка дифракционной структуры вращается с постоянной угловой скоростью, в то время как записывающий пучок перемещается вдоль прямой линии, пересекающей центр вращения (Milster Т.D., Vernold С.L. Technique for aligning optical and mechanical axes on a rotating linear grating // Optical Engineering, 34, No.10, pp.2840-2845 (1995)). Точность формирования структуры определяется, в частности, точностью перемещения записывающего лазерного пятна относительно заготовки дифракционного элемента. В известных установках для обеспечения нанометровой точности используются прецизионные подвижные столы и шпиндели на аэростатических опорах в сочетании с лазерными интерферометрами для измерения перемещения записывающего лазерного пятна (http://www.aerotech.com/).There are many types of diffraction structures, for the manufacture of which is preferred not a rectangular, but a polar coordinate system. These include the main part of focusing optics, synthesized holograms, wavefront correctors, etc. For example, diffraction elements for monitoring aspherical mirrors of telescopes (compensators) must have an accuracy of performing an annular diffraction structure of no worse than 25-50 nm, a minimum period of less than 1 μm and a diameter of several hundred millimeters (T. Kim, J. H. Burge, Y . Lee, and S. Kim. Null test for a highly paraboloidal mirror // APPLIED OPTICS Vol. 43, No.18 pp. 3614-3620). To control laser radiation in the UV range, it is necessary to ensure the formation of diffraction structures with a minimum period of 100-200 nm and an accuracy of 1-2 nm. Diffraction elements of this type can be manufactured with nanometer accuracy only using specialized devices based on circular scanning with a focused laser beam. In known devices of this type, the workpiece of the diffraction structure rotates at a constant angular velocity, while the recording beam moves along a straight line crossing the center of rotation (Milster T.D., Vernold S.L. Technique for aligning optical and mechanical axes on a rotating linear grating // Optical Engineering, 34, No.10, pp. 2840-2845 (1995)). The accuracy of the structure formation is determined, in particular, by the accuracy of movement of the recording laser spot relative to the workpiece of the diffraction element. In known installations, to ensure nanometer accuracy, precision movable tables and spindles on aerostatic supports are used in combination with laser interferometers to measure the movement of a recording laser spot (http://www.aerotech.com/).

Известно устройство для записи дифракционных структур, состоящее из массивного основания, на котором установлен аэростатический шпиндель с приводом вращения и планшайбой, координатного стола с фокусирующим объективом, лазерного интерферометра, записывающего лазера с согласующей оптикой (Yang Guoguan. Laser direct writing system and its lithography properties // Proc. SPIE, 1998, Vol.3550, p.409-418).A device for recording diffraction structures is known, consisting of a massive base on which an aerostatic spindle with a rotation drive and a face plate is mounted, a coordinate table with a focusing lens, a laser interferometer, a recording laser with matching optics (Yang Guoguan. Laser direct writing system and its lithography properties / / Proc. SPIE, 1998, Vol. 3550, p. 409-418).

Известно также устройство для записи дифракционных структур, состоящее из основания, шпинделя на аэростатических опорах, подвижного стола на аэростатических опорах, головки записи, лазерного интерферометра с отражающим элементом, установленным на подвижном столе (Bowen J.Р., Michaels R.L., Blough C.G. Generation of large-diameter diffractive elements with laser pattern generation // Appl. Opt. 1997. 36. P.8970).A device for recording diffraction structures is also known, consisting of a base, a spindle on aerostatic supports, a movable table on aerostatic supports, a recording head, a laser interferometer with a reflective element mounted on a movable table (Bowen J.P., Michaels RL, Blough CG Generation of large-diameter diffractive elements with laser pattern generation // Appl. Opt. 1997.36. P.8970).

Недостатком известных устройств являются низкая точность работы, а также большие габариты и сложность конструкции.A disadvantage of the known devices are low accuracy, as well as the large size and complexity of the design.

Наиболее близким к заявляемому является устройство, опубликованное в [Poleshchuk A.G., Churin Е.G., Koronkevich V.P., Korolkov V.P., Kharissov А.А., Cherkashin V.V., Kiryanov V.P., Kiryanov A.V., Kokarev S.A., Verhoglyad A.G.. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure // Applied Optics, 1999, v.38, N8. P.1295-1301], с участием автора предлагаемого изобретения. Это устройство для оптической записи дифракционных структур, включающее плиту основания с отверстием, в котором закреплен шпиндельный узел с заготовкой, по крайней мере, две направляющие, подвижный стол с двумя ползунами, снабженными аэростатическими опорами и жестко связанными между собой с помощью соединительного узла, головку записи, источник излучения, блок управления, отражательный элемент, узел лазерного интерферометра, связанный оптическим пучком с отражательным элементом и источником излучения, а электрически с блоком управления, узел линейного двигателя, связанный электрически с блоком управления, а кинематически с подвижным столом. Под блоком управления здесь понимается электронная система на основе персонального компьютера, управляющая работой электрических и оптических узлов устройства.Closest to the claimed is a device published in [Poleshchuk AG, Churin E.G., Koronkevich VP, Korolkov VP, Kharissov A.A., Cherkashin VV, Kiryanov VP, Kiryanov AV, Kokarev SA, Verhoglyad AG. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure // Applied Optics, 1999, v. 38, N8. P.1295-1301], with the participation of the author of the invention. This is a device for optical recording of diffraction structures, including a base plate with a hole in which a spindle unit with a workpiece is fixed, at least two guides, a movable table with two sliders, equipped with aerostatic supports and rigidly connected to each other by means of a connecting unit, the recording head , a radiation source, a control unit, a reflective element, a laser interferometer assembly, connected by an optical beam with a reflective element and a radiation source, and electrically with a control unit niya, a linear motor unit, connected electrically with the control unit, and kinematically with a movable table. Here, a control unit means an electronic system based on a personal computer that controls the operation of the electrical and optical components of the device.

Недостатком данного устройства является малая точность записи дифракционных структур, сложность конструкции и большие габариты. Для изготовления дифракционных элементов УФ-диапазона и синтезированных голограмм для контроля асферической оптики необходимо обеспечивать точность позиционирования записывающего пучка по поверхности заготовки, покрытой светочувствительным веществом порядка единиц нанометров. В указанном выше устройстве отражатель интерферометра прикреплен к подвижной плите на большом расстоянии от фокусирующего объектива и поверхности плиты основания. Это приводит к возникновению большой ошибки компарирования (ошибка Аббе) при перекосе длинных направляющих, что снижает точность работы устройства (Городецкий Ю.Г. «Конструкции, расчет и эксплуатация измерительных инструментов и приборов». - М.: Машиностроение, 1972 г.). Существенным недостатком известного устройства является отсутствие возможности точного совмещения оптической оси фокусирующего объектива с центром вращения вала шпинделя при перемещении подвижного стола. Это приводит к возникновению ошибки позиционирования, так как погрешность совмещения с центром вращения суммируется с заданной координатой записи. Кроме того, в известном устройстве направляющие и ползуны имеют попарно цилиндрическую и прямоугольную формы, что существенно усложняет их изготовление. Ползуны выполнены стальными, что приводит к большим температурным коэффициентам расширения, снижая точность работы всего устройства. Так как шпиндельный узел расположен между направляющими, то расстояние между ними превышает диаметр планшайбы (и отверстия в плите основания) и составляет 450-500 мм. Таким образом, длина направляющих также составляет около 400-500 мм, что существенно увеличивает габариты устройства. Изготовление направляющих такой длины с субмикронной точностью (отклонение от плоскости менее 0.1 мкм) является технически сложной задачей и удорожает конструкцию установки в целом. Так как направляющие прикреплены к плите основания по краям, из-за большой массы подвижного стола со временем возможно провисание направляющих, что приводит к перекосу подвижной плиты и снижению точности работы всего устройства.The disadvantage of this device is the low accuracy of the recording of diffraction structures, the complexity of the design and large dimensions. To produce UV diffraction elements and synthesized holograms for controlling aspherical optics, it is necessary to ensure the accuracy of the positioning of the recording beam over the surface of the workpiece covered with a photosensitive substance of the order of a few nanometers. In the above device, the interferometer reflector is attached to the movable plate at a great distance from the focusing lens and the surface of the base plate. This leads to a large comparing error (Abbe error) when the long guides are skewed, which reduces the accuracy of the device (Yu.G. Gorodetsky, “Design, Calculation and Operation of Measuring Instruments and Devices.” - M.: Mashinostroenie, 1972). A significant disadvantage of the known device is the inability to accurately align the optical axis of the focusing lens with the center of rotation of the spindle shaft when moving the movable table. This leads to a positioning error, since the alignment error with the center of rotation is summed up with the given record coordinate. In addition, in the known device, the guides and sliders are pairwise cylindrical and rectangular in shape, which significantly complicates their manufacture. The sliders are made of steel, which leads to large temperature expansion coefficients, reducing the accuracy of the entire device. Since the spindle unit is located between the rails, the distance between them exceeds the diameter of the faceplate (and the holes in the base plate) and is 450-500 mm. Thus, the length of the guides is also about 400-500 mm, which significantly increases the dimensions of the device. The manufacture of guides of this length with submicron accuracy (deviation from the plane is less than 0.1 μm) is a technically difficult task and increases the cost of the design of the installation as a whole. Since the guides are attached to the base plate at the edges, due to the large mass of the movable table, the guides may sag over time, which leads to a skew of the movable plate and a decrease in the accuracy of the entire device.

Перед автором ставилась задача разработать устройство для оптической записи дифракционных структур, обеспечивающее высокую точность микро- и нанообработки материалов для изготовления дифракционных оптических элементов, при одновременном упрощении конструкции и снижении габаритов устройства.The author was tasked to develop a device for optical recording of diffraction structures, which provides high accuracy of micro- and nano-processing of materials for the manufacture of diffractive optical elements, while simplifying the design and reducing the dimensions of the device.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для оптической записи дифракционных структур, содержащем плиту основания с отверстием, в котором закреплен шпиндельный узел с заготовкой, по крайней мере, две направляющие, подвижный стол с двумя ползунами, снабженными аэростатическими опорами и жестко связанными между собой с помощью соединительного узла, головку записи, источник излучения, блок управления, отражательный элемент, узел лазерного интерферометра, связанный оптическим пучком с отражательным элементом и источником излучения, а электрически с блоком управления, узел линейного двигателя, связанный электрически с блоком управления, а кинематически с подвижным столом, упомянутые выше направляющие скомплектованы в две группы и установлены коллинеарно с противоположных сторон шпиндельного узла, по ходу перемещения подвижного стола, ползуны выполнены опирающимися аэростатическими опорами одновременно на плиту основания и в боковые стенки направляющих, отражательный элемент связан с головкой записи, а расстояние L между центрами ползунов выбирается исходя из заданной погрешности перемещенияThe technical result is achieved due to the fact that in the device for optical recording of diffraction structures containing a base plate with a hole in which a spindle unit with a workpiece is fixed, at least two guides, a movable table with two sliders, equipped with aerostatic supports and rigidly connected between by means of a connecting unit, a recording head, a radiation source, a control unit, a reflective element, a laser interferometer assembly, connected by an optical beam with a reflective element and source radiation source, and electrically with the control unit, the linear motor assembly, connected electrically to the control unit, and kinematically with the movable table, the above-mentioned guides are assembled in two groups and installed collinearly on opposite sides of the spindle unit, along the moving table, the sliders are supported with aerostatic supports simultaneously on the base plate and in the side walls of the guides, the reflective element is connected to the recording head, and the distance L between the centers of the sliders is knocked out aetsya basis of a predetermined displacement error

δ_х по формулеδ _x according to the formula

L≥hd/δ_x,L≥hd / δ _x ,

где h - расстояние от поверхности заготовки до оптического пучка, связывающего узел лазерного интерферометра с отражающим элементом, d - величина паразитного смещения в вертикальном направлении центра одного ползуна относительно другого при их перемещении на расстояние L.where h is the distance from the workpiece surface to the optical beam connecting the laser interferometer assembly with the reflective element, d is the stray offset in the vertical direction of the center of one slider relative to another when they are moved to a distance L.

При этом, по крайней мере, одна группа направляющих состоит из двух параллельно расположенных друг другу направляющих, которые могут иметь прямоугольную форму, а аэростатические опоры расположены на торцах и основании каждого из ползунов, узел линейного двигателя установлен таким образом, что его кинематическая связь с подвижным столом лежит на одной прямой с оптическим пучком, связывающим интерферометр и отражающий элемент, проходя через ось вращения шпиндельного узла, а соединительный узел выполнен из двух кинематически связанных между собой плит, первая из которых механически жестко соединена с головкой записи и выполнена с возможностью смещения в направлении, перпендикулярном направлению перемещения подвижного стола, а вторая плита механически жестко соединена с двумя ползунами, причем кинематическая связь первой и второй плит осуществляется над центральными линиями ползунов.At the same time, at least one group of rails consists of two rails parallel to each other, which can have a rectangular shape, and aerostatic bearings are located at the ends and base of each of the sliders, the linear motor unit is installed so that its kinematic connection with the movable the table lies on one straight line with an optical beam connecting the interferometer and the reflecting element, passing through the axis of rotation of the spindle unit, and the connecting unit is made of two kinematically connected I am waiting for plates, the first of which is mechanically rigidly connected to the recording head and made with the possibility of displacement in the direction perpendicular to the direction of movement of the movable table, and the second plate is mechanically rigidly connected to two sliders, and the kinematic connection of the first and second plates is carried out over the central lines of the sliders.

Структурная схема предлагаемого устройства поясняется чертежами, где оно представлено в различных видах и сечениях (фиг.1 - вид сверху, фиг.2 - вид в сечении А-А, фиг.3 - вид в сечении В-В).The structural diagram of the proposed device is illustrated by drawings, where it is presented in various types and sections (figure 1 is a top view, figure 2 is a view in section aa, figure 3 is a view in section bb).

Оптические связи между элементами устройства (фиг.1-2) показаны утолщенными линиями, а связи блока управления 14, координирующего работу всего устройства, с электрическими (линейный двигатель, шпиндельный узел) и оптическими (источник излучения, узел интерферометра) элементами условно показаны тонкими линиями со стрелками. В узел управления 14 входят персональный компьютер и набор интерфейсных блоков для связи с указанными выше элементами.The optical connections between the elements of the device (Figs. 1-2) are shown by thickened lines, and the connections of the control unit 14 coordinating the operation of the entire device with electrical (linear motor, spindle unit) and optical (radiation source, interferometer unit) elements are conventionally shown with thin lines with arrows. The control unit 14 includes a personal computer and a set of interface units for communication with the above elements.

Устройство для оптической записи дифракционных структур содержит плиту основания 1 с отверстием, в котором закреплен шпиндельный узел 2 с заготовкой 3, две группы направляющих, состоящие из параллельно расположенных друг к другу направляющих 4, 5, 6 и 7, два ползуна 8, 9, снабженных аэростатическими опорами 10 (фиг.3) и жестко связанных между собой с помощью соединительного узла 11, образуя подвижный стол, головку записи 12, источник излучения 13, блок управления 14, отражательный элемент 15, узел лазерного интерферометра 16, узел линейного двигателя 17. Соединительный узел 11 выполнен из двух плит 18 и 19. Головка записи 12 содержит фокусирующий объектив 20 и поворотное зеркало 21, оптически связанные с источником записывающего лазерного излучения 22. Плиты 18 и 19 связаны между собой кинематическими узлами 23.A device for optical recording of diffraction structures contains a base plate 1 with an opening in which a spindle unit 2 with a workpiece 3 is fixed, two groups of guides, consisting of guides 4, 5, 6 and 7 parallel to each other, two sliders 8, 9, equipped aerostatic supports 10 (Fig. 3) and rigidly interconnected by means of a connecting unit 11, forming a movable table, a recording head 12, a radiation source 13, a control unit 14, a reflective element 15, a laser interferometer assembly 16, a linear motor assembly 17. C The connecting unit 11 is made of two plates 18 and 19. The recording head 12 contains a focusing lens 20 and a pivoting mirror 21 optically coupled to a recording laser radiation source 22. The plates 18 and 19 are connected by kinematic nodes 23.

Устройство работает следующим образом. На горизонтально расположенной плите основания 1, выполненной из материала с низким температурным коэффициентом расширения (ТКР), предпочтительно из гранита, базальта или ситала, установлены две группы направляющих, например 4, 5 и 6, 7. Эти направляющие выполнены прямоугольной формы, из материала с низким ТКР, предпочтительно из гранита, базальта или ситала, и жестко соединены с плитой основания 1. В каждой группе направляющие расположены параллельно друг другу, а обе группы расположены коллинеарно между собой. Все четыре направляющие имеют, предпочтительно, одни и те же размеры и форму. Жесткое крепление направляющих к плите основания может быть осуществлено с помощью винтов (на фиг.1 и 2 винты не показаны) или клея.The device operates as follows. On a horizontally positioned base plate 1 made of a material with a low temperature coefficient of expansion (TCR), preferably granite, basalt, or glass, there are two groups of guides, for example 4, 5 and 6, 7. These guides are made of rectangular shape, made of material with low TCR, preferably made of granite, basalt or ceramic, and are rigidly connected to the base plate 1. In each group, the guides are parallel to each other, and both groups are collinear to each other. All four rails are preferably of the same size and shape. Rigid fastening of the guides to the base plate can be carried out using screws (screws not shown in FIGS. 1 and 2) or glue.

Таким образом, в предложенном устройстве все направляющие могут быть выполнены из материала с низким коэффициентом расширения, имеют одну и ту же форму (прямоугольник) в сечении и небольшой размер (<200 мм). Это позволяет изготавливать их группой, по оптической технологии, с плоскостностью не хуже 0.05 мкм и прямым углом, выдержанным с точностью не хуже 5-10 угл. сек. Направляющие непосредственно крепятся к плите основания всей плоскостью, что исключает их деформацию в процессе эксплуатации и упрощает конструкцию. Это позволяет увеличить точность работы устройства, упростить его конструкцию и снизить затраты на его изготовление.Thus, in the proposed device, all the guides can be made of material with a low coefficient of expansion, have the same shape (rectangle) in cross section and small size (<200 mm). This makes it possible to produce them as a group, using optical technology, with a flatness of no worse than 0.05 microns and a right angle maintained with an accuracy of no worse than 5-10 angles. sec The guides are directly attached to the base plate with the entire plane, which eliminates their deformation during operation and simplifies the design. This allows you to increase the accuracy of the device, simplify its design and reduce the cost of its manufacture.

На полированной поверхности плиты основания 1, внутри каждой из групп направляющих установлены жестко связанные между собой ползуны 8 и 9. При работе устройства ползуны опираются на плиту основания 1 и боковые грани направляющих 4, 5 и 6, 7 при помощи аэростатических опор 10, которые расположены на торцах и основаниях каждого из ползунов, как показано на фиг.3. Сжатый воздух подается по каналам (на фиг.3 не показаны) к каждой из опор. Воздушный зазор между поверхностью ползунов и плитой основания, а также направляющими, выбирается в диапазоне от 3 до 15 мкм (С.А.Шейнберг, В.П.Жедь, М.Д.Шишеев. Опоры скольжения с газовой смазкой. - М.: Машиностроение, 1969). Жесткая механическая связь обоих ползунов осуществляется с помощью соединительного узла 11 (фиг.1), образуя подвижный стол. Максимальный диапазон перемещения стола равенOn the polished surface of the base plate 1, inside each of the groups of guides, sliders 8 and 9 are rigidly connected to each other. When the device is operating, the sliders are supported on the base plate 1 and the side faces of the guides 4, 5 and 6, 7 using aerostatic supports 10, which are located at the ends and bases of each of the sliders, as shown in Fig.3. Compressed air is supplied through channels (not shown in FIG. 3) to each of the supports. The air gap between the surface of the sliders and the base plate, as well as the guides, is selected in the range from 3 to 15 μm (S.A. Sheinberg, V.P. Zhed, M.D. Shisheev. Sliding bearings with gas lubrication. - M .: Engineering, 1969). A rigid mechanical connection of both sliders is carried out using the connecting node 11 (figure 1), forming a movable table. The maximum range of table movement is

где Р - длина бруска направляющей, С - ширина ползуна, k₁=0.9-1. При Р=190 мм, С=40 мм диапазон перемещения составит до D=150 мм.where P is the length of the guide rail, C is the width of the slide, k ₁ = 0.9-1. With P = 190 mm, C = 40 mm, the range of movement is up to D = 150 mm.

Между обеими группами направляющих в плите основания 1 выполнено сквозное отверстие, в котором установлен жестко связанный с основанием шпиндельный узел 2, предпочтительно на аэростатических опорах. На валу шпиндельного узла с одной стороны закреплена заготовка дифракционного элемента 3 с лицевой плоскостью, параллельной плоскости плиты основания. Шпиндельный узел связан электрически с блоком управления 14. Кроме того, он выполнен с возможностью жесткого крепления и угловой юстировки заготовки 3, которая устанавливается на валу шпинделя. Крепление заготовки может быть выполнено с использованием механических зажимов, вакуумного прижима или оптического клея. Максимальный диаметр заготовки составляет 2D и составляет 200-300 мм.Between both groups of guides in the base plate 1, a through hole is made in which a spindle unit 2 is fixedly connected to the base, preferably on aerostatic supports. On the shaft of the spindle assembly, on one side, a workpiece of the diffraction element 3 is fixed with a face plane parallel to the plane of the base plate. The spindle unit is electrically connected to the control unit 14. In addition, it is made with the possibility of hard mounting and angular adjustment of the workpiece 3, which is mounted on the spindle shaft. The workpiece may be secured using mechanical clamps, a vacuum clamp, or optical glue. The maximum diameter of the workpiece is 2D and is 200-300 mm.

Установка двух групп направляющих коллинеарно с противоположных сторон шпиндельного узла, обеспечивает максимально большее расстояние между ползунами и соответственно длину подвижного стола при заданных габаритах устройства. Это позволяет снизить перекосы подвижного стола при перемещении и увеличить тем самым точность работы устройства. Оптимальной будет являться симметричная конструкция из двух групп одинаковых направляющих, одинаковых ползунов и шпиндельного узла, расположенного посередине между направляющими, как показано на фиг.1.The installation of two groups of guides collinearly on opposite sides of the spindle unit, provides the largest possible distance between the sliders and, accordingly, the length of the movable table with the given dimensions of the device. This allows you to reduce the skewness of the movable table during movement and thereby increase the accuracy of the device. Optimal will be a symmetrical design of two groups of identical guides, identical sliders and a spindle assembly located in the middle between the guides, as shown in Fig. 1.

Соединительный узел 11 состоит из двух плит 18 и 19. Первая (нижняя) плита 19 жестко крепится к ползунам винтами или с помощью шарнирного соединения (на фиг.2 не показаны). На плите 19 установлена вторая (верхняя) плита 18 с размерами, аналогичными размерам плиты 19. Эта плита выполнена с возможностью небольшого (±1 мм) перемещения в направлении, перпендикулярном направлению перемещения подвижного стола (поперечное смещение). Обе плиты кинематически связаны между собой в области ползунов.The connecting unit 11 consists of two plates 18 and 19. The first (lower) plate 19 is rigidly attached to the sliders with screws or by means of a swivel joint (not shown in FIG. 2). A second (upper) plate 18 is installed on the plate 19 with dimensions similar to those of the plate 19. This plate is made with the possibility of small (± 1 mm) movement in the direction perpendicular to the direction of movement of the movable table (lateral displacement). Both plates are kinematically connected to each other in the area of the sliders.

Связь плит осуществляется соединительными узлами 23, выполненными в виде, например, плоских пружин или предварительно нагруженных шариковых (роликовых) направляющих с ходом <±1 мм. Устройство поперечного смещения плиты 18 может быть реализовано в виде пьезопривода или шагового двигателя с редуктором, обеспечивающих дискретность перемещения <1 нм. Соединение плиты стола и дополнительной плиты в области ползунов, предпочтительно по их центрам, обеспечивает отсутствие разворота ползунов в плоскости А-А (фиг.2) при установке на эту плиту головки записи 12 с достаточно большой массой.The connection of the plates is carried out by connecting nodes 23, made in the form of, for example, flat springs or pre-loaded ball (roller) guides with a stroke of <± 1 mm. The lateral displacement device of the plate 18 can be implemented in the form of a piezoelectric drive or a stepper motor with a gearbox providing discontinuity of movement <1 nm. The connection of the table plate and the additional plate in the area of the sliders, preferably at their centers, ensures that the sliders do not turn in the plane AA (Fig. 2) when the recording head 12 with a sufficiently large mass is installed on this plate.

Плиты 18 и 19 выполнены с отверстиями, в которых установлена головка записи 12, корпус которой жестко связан с плитой 18. Отверстие в плите 19 имеет диаметр, позволяющий головке записи перемещаться в поперечном направлении при перемещении плиты 18. В корпусе головки записи установлен узел фокусировки, включающий в себя, как минимум, поворотное зеркало 21, фокусирующий микрообъектив 20 и отражательный элемент интерферометра 15. Фокусирующий микрообъектив (числовая апертура выбирается NA=0.65-0.95) установлен таким образом, что его оптическая ось проходит через ось вращения вала шпиндельного узла при перемещении подвижного стола вдоль направляющих, а плоскость фокусировки записывающего лазерного излучения совмещена с плоскостью лицевой поверхности заготовки 3.The plates 18 and 19 are made with holes in which the recording head 12 is mounted, the body of which is rigidly connected to the plate 18. The hole in the plate 19 has a diameter that allows the recording head to move in the transverse direction when moving the plate 18. A focusing unit is installed in the body of the recording head, including at least a rotary mirror 21, a focusing micro lens 20 and a reflective element of the interferometer 15. The focusing micro lens (numerical aperture is selected NA = 0.65-0.95) is set so that its optical axis passes t through the axis of rotation of the shaft of the spindle unit when moving the movable table along the guides, and the focus plane of the recording laser radiation is aligned with the plane of the front surface of the workpiece 3.

Кроме указанных элементов в головке записи 12 могут быть также установлены датчик фокусировки, видеокамера, исполнительный элемент автофокусировки и другие оптико-электронные узлы (на фиг.1-3 не показаны). Головка записи 12 оптически связана с источником записывающего лазерного излучения 22, который электрически связан с блоком управления 14. Источник записывающего лазерного излучения, включающий в себя УФ лазер (например, 266 нм или 355 нм DPSS лазер) и модулятор (например, акустооптический), может быть установлен как на плите основания 1, так и на плите 18. Головка записи формирует на поверхности заготовки записывающее лазерное пятно с размерами W=0.1-0.5 мкм в зависимости от типа используемого лазера и фокусирующего микрообъектива. При записи дифракционных структур точность совмещения центра записывающего пятна и оси вращения вала шпиндельного узла должна составлять (0.05-0.1)W или 5-10 нм, так как эта точка принимается за начало полярной системы координат. В продольном направлении (координата ОХ на фиг.1) это совмещение осуществляется путем перемещения подвижного стола вдоль направляющих. Перемещение плиты 18 (и соответственно головки записи 12) в направлении, перпендикулярном направлению перемещения подвижного стола, позволяет обеспечить точное совмещение центра записывающего пятна с осью вращения вала шпинделя по координате ОУ (фиг.1) и обеспечить точную запись дифракционных структур.In addition to these elements, a focus sensor, a video camera, an autofocus actuating element and other optoelectronic nodes (not shown in FIGS. 1-3) can also be installed in the recording head 12. The recording head 12 is optically coupled to a recording laser radiation source 22, which is electrically coupled to a control unit 14. A recording laser radiation source including a UV laser (e.g., a 266 nm or 355 nm DPSS laser) and a modulator (e.g., acousto-optical) can be mounted both on the base plate 1 and on the plate 18. The recording head forms a recording laser spot on the surface of the workpiece with dimensions W = 0.1-0.5 μm, depending on the type of laser used and the focusing micro-lens. When recording diffraction structures, the accuracy of combining the center of the recording spot and the axis of rotation of the shaft of the spindle assembly should be (0.05-0.1) W or 5-10 nm, since this point is taken as the origin of the polar coordinate system. In the longitudinal direction (OX coordinate in FIG. 1), this alignment is carried out by moving the movable table along the guides. The movement of the plate 18 (and, accordingly, the recording head 12) in the direction perpendicular to the direction of movement of the movable table allows for accurate alignment of the center of the recording spot with the axis of rotation of the spindle shaft along the coordinate of the op-amp (Fig. 1) and to ensure accurate recording of diffraction structures.

Между первой группой направляющих 4 и 5 установлен узел лазерного интерферометра 16, оптически связанный с отражательным элементом 15, который установлен в головке записи 12. Отражательный элемент может быть выполнен в виде плоского зеркала (предпочтительно) или уголкового отражателя (трипельшпигеля), в зависимости от типа лазерного интерферометра (Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры, Новосибирск, "Наука", 1985, 181 с.). Узел лазерного интерферометра оптически связан с источником излучения 13 (стабилизированным He-Ne лазером) и электрически - с блоком управления 14. Узел лазерного интерферометра осуществляет относительное измерение координаты подвижного стола при его перемещении вдоль оси ОХ (фиг.1). Дискретность измерения координаты составляет обычно 0.1-0.6 нм.Between the first group of guides 4 and 5, a laser interferometer assembly 16 is mounted, which is optically coupled to the reflective element 15, which is mounted in the recording head 12. The reflective element can be made in the form of a flat mirror (preferably) or an angular reflector (tripel plug), depending on the type laser interferometer (Koronkevich VP, Khanov VA. Modern laser interferometers, Novosibirsk, "Science", 1985, 181 pp.). The laser interferometer assembly is optically coupled to the radiation source 13 (stabilized by a He-Ne laser) and electrically connected to the control unit 14. The laser interferometer assembly makes relative measurements of the coordinates of the movable table as it moves along the OX axis (Fig. 1). The resolution resolution measurement is usually 0.1-0.6 nm.

Между второй группой направляющих на плите основания установлен узел линейного двигателя 17, электрически связанный с блоком управления 14 и кинематически с подвижным столом. Кинематическая связь лежит на одной прямой с оптическим пучком, связывающим интерферометр 16 и отражающий элемент 15, проходя через ось вращения шпиндельного узла 2. Такое расположение позволяет обеспечить отсутствие перекосов и разворотов подвижного стола и соответственно фокусирующего объектива при разгоне и торможении (позиционирование стола) и увеличить точность записи.Between the second group of guides, a linear motor assembly 17 is mounted on the base plate, electrically connected to the control unit 14 and kinematically with a movable table. The kinematic connection lies on one straight line with the optical beam connecting the interferometer 16 and the reflecting element 15, passing through the axis of rotation of the spindle unit 2. This arrangement ensures the absence of distortions and turns of the movable table and, accordingly, the focusing lens during acceleration and braking (table positioning) and increase recording accuracy.

Линейный двигатель 17 осуществляет перемещение подвижного стола на основании информации, полученной блоком управления 14 от лазерного интерферометра 16. Линейный двигатель, подвижный стол, лазерный интерферометр и блок управления образуют замкнутую систему автоматического регулирования. Лазерный интерферометр измеряет текущую координату подвижного стола относительно исходной точки, выбранной в качестве начала координат, например центра вращения вала шпинделя, и передает ее в блок управления.The linear motor 17 moves the movable table based on the information received by the control unit 14 from the laser interferometer 16. The linear motor, the movable table, the laser interferometer and the control unit form a closed automatic control system. The laser interferometer measures the current coordinate of the movable table relative to the starting point selected as the origin, for example, the center of rotation of the spindle shaft, and transmits it to the control unit.

Процесс лазерной записи дифракционной структуры проходит следующим образом. Заготовка дифракционной структуры приводится во вращении (скорость вращения 15-30 об/с). Подвижный стол с фокусирующим объективом перемещается по команде от блока управления на заданную координату. По сигналу от блока управления источник записывающего лазерного излучения 22 выдает импульс излучения, который экспонирует поверхность заготовки, покрытую пленкой фоторезиста или хрома. Далее процессы перемещения и экспонирования повторяются до формирования всей структуры дифракционного элемента (или любого другого изображения).The process of laser recording of the diffraction structure is as follows. The workpiece of the diffraction structure is rotated (rotation speed 15-30 r / s). A movable table with a focusing lens moves on command from the control unit to a given coordinate. The signal from the control unit, the source of the recording laser radiation 22 generates a radiation pulse that exposes the surface of the workpiece, covered with a film of photoresist or chromium. Further, the processes of displacement and exposure are repeated until the formation of the entire structure of the diffraction element (or any other image).

Минимальные размеры записываемой дифракционной структуры составляют 0.1-0.5 мкм. При этом погрешность перемещения (позиционирования) записывающего пятна по всей поверхности заготовки (0-150 мм) должна быть не хуже 5-10 нм. Из-за наклонов и разворотов стола при перемещении, изменении давления воздуха в аэростатических опорах, изменении температурных градиентов и т.д. измеренные интерферометром координаты стола отличаются от координат записывающего пятна на поверхности заготовки. Это связано с тем, что величина перемещения головки записи 12 производится интерферометром 16 на конечном расстоянии h от поверхности заготовки. Имеет место ошибка компарирования (ошибка Аббе) из-за наклонов и разворотов стола (Городецкий Ю.Г. «Конструкции, расчет и эксплуатация измерительных инструментов и приборов». - М.: Машиностроение, 1972 г.). Допустимые величины погрешностей перемещения δ_х и δ_у (т.е. расстояния между точкой фокусировки записывающего лазерного излучения относительно исходной точки, выбранной в качестве начала координат) на основании принципа компарирования Аббе определяются соотношениямиThe minimum size of the recorded diffraction structure is 0.1-0.5 microns. Moreover, the error of movement (positioning) of the recording spot over the entire surface of the workpiece (0-150 mm) should be no worse than 5-10 nm. Due to the slopes and turns of the table when moving, changes in air pressure in aerostatic bearings, changes in temperature gradients, etc. the table coordinates measured by the interferometer differ from the coordinates of the recording spot on the surface of the workpiece. This is due to the fact that the amount of movement of the recording head 12 is made by the interferometer 16 at a finite distance h from the surface of the workpiece. There is a comparing error (Abbe error) due to the tilting and turning of the table (Yu.G. Gorodetsky, “Design, Calculation and Operation of Measuring Instruments and Devices.” - M.: Mechanical Engineering, 1972). The permissible values of the movement errors δ _x and δ _y (i.e., the distance between the focusing point of the recording laser radiation relative to the initial point selected as the origin) based on the Abbe's principle of comparing are determined by the relations

где h - расстояние от плоскости поверхности заготовки до центра лазерного пучка, связывающего интерферометр 16 и отражающий элемент 15, d_x и d_y - величины паразитного смещения (из-за перекосов) ползунов по координатам х и у при перемещении подвижного стола, L и М - соответственно расстояния между ползунами и направляющими. При h=20 мм d_y=d_y=1 мкм, М=200 мм и L=400 мм, δ_х=0.05 мкм и δ_у=0.1 мкм.where h is the distance from the surface plane of the workpiece to the center of the laser beam connecting the interferometer 16 and the reflecting element 15, d _x and d _y are the stray displacement (due to distortions) of the sliders along the x and y coordinates when moving the movable table, L and M - respectively, the distance between the sliders and the guides. For h = 20 mm, d _y = d _y = 1 μm, M = 200 mm and L = 400 mm, δ _x = 0.05 μm and δ _y = 0.1 μm.

Из формулы (2а) следует, что расстояние L между ползунами при заданной величине допустимой погрешности δ_х должно выбираться по формулеFrom formula (2a) it follows that the distance L between the sliders for a given value of the permissible error δ _x should be selected by the formula

что обеспечит точность работы устройства заданной величине.which will ensure the accuracy of the device to a given value.

Минимальные габариты W устройства определяются, в основном, длиной направляющих и расстоянием между ползунамиThe minimum dimensions W of the device are determined mainly by the length of the guides and the distance between the sliders

где С - ширина ползуна.where C is the width of the slider.

Т.е. габариты устройства (которые определяются размерами плиты основания 1) при диаметре планшайбы в 220 мм могут не превышать 600×300 мм.Those. the dimensions of the device (which are determined by the dimensions of the base plate 1) with a faceplate diameter of 220 mm may not exceed 600 × 300 mm.

Преимущество заявляемого устройства заключается в том, что в нем все направляющие могут быть выполнены из оптического материала с низким коэффициентом расширения (кварц, ситал), имеют одну и ту же форму (прямоугольник) в сечении и небольшой размер (<200 мм). Это позволяет изготавливать их группой по оптической технологии с плоскостностью не хуже 0.05 мкм и прямым углом, выдержанным с точностью не хуже 5-10 угл. сек. Направляющие непосредственно крепятся к плите основания всей плоскостью, что исключает их деформацию в процессе эксплуатации и упрощает конструкцию. Оба ползуна также имеют одну и ту же конструкцию и небольшой размер. Таким образом, предложенное решение позволяет существенно снизить габариты, упростить конструкцию и снизить стоимость всего устройства. Точность работы предлагаемого устройства повышается за счет обеспечения возможности точного совмещения оптической оси фокусирующий объектива с центром вращения вала шпинделя за счет установки головки записи на дополнительной подвижной плите, за счет рационального выбора расстояния между ползунами, а также установкой линейного двигателя и интерферометра вдоль оси, проходящей через ось вращения шпинделя.The advantage of the claimed device is that in it all the guides can be made of optical material with a low coefficient of expansion (quartz, glass), have the same shape (rectangle) in cross section and small size (<200 mm). This allows them to be manufactured by a group using optical technology with a flatness of no worse than 0.05 microns and a right angle maintained with an accuracy of no worse than 5-10 angles. sec The guides are directly attached to the base plate with the entire plane, which eliminates their deformation during operation and simplifies the design. Both sliders also have the same design and small size. Thus, the proposed solution can significantly reduce the size, simplify the design and reduce the cost of the entire device. The accuracy of the proposed device is improved by providing the ability to accurately align the optical axis of the focusing lens with the center of rotation of the spindle shaft by installing the recording head on an additional movable plate, by rationally choosing the distance between the sliders, as well as by installing a linear motor and an interferometer along the axis passing through axis of rotation of the spindle.

Claims

1. Device for optical recording of diffraction structures, including a base plate with an opening in which a spindle unit with a workpiece is fixed, at least two guides, a movable table with at least two sliders, equipped with aerostatic supports and rigidly connected to each other using a connecting node, a recording head, a radiation source, a control unit, a reflective element, a laser interferometer assembly connected by an optical beam with a reflective element and a radiation source, and electrically - control unit, a linear motor assembly, connected electrically to the control unit, and kinematically with a movable table, characterized in that the said rails are assembled in two groups and installed collinearly on opposite sides of the spindle assembly along the movement of the movable table, the sliders are supported by aerostatic bearings simultaneously to the base plate and to the side walls of the rails, the reflective element is connected to the recording head, and the distance L between the centers of the sliders is selected based on the value of the error of movement δ _x according to the formula
L≥hd / δ _x ,
where h is the distance from the workpiece surface to the optical beam connecting the laser interferometer assembly with the reflective element, d is the stray offset in the vertical direction of the center of one slider relative to another when they are moved to a distance L.

2. The device according to claim 1, characterized in that at least one group of rails consists of two rails parallel to each other.

3. The device according to claim 1, characterized in that the guides are rectangular in shape, and aerostatic bearings are located at the ends and base of each of the sliders.

4. The device according to claim 1, characterized in that the linear motor assembly is installed in such a way that its kinematic connection with the movable table lies on a straight line with the optical beam connecting the interferometer and the reflecting element and passing through the axis of rotation of the spindle assembly.

5. The device according to claim 1, characterized in that the connecting node is made of two kinematically connected plates, the first of which is mechanically rigidly connected to the recording head and made with the possibility of displacement in the direction perpendicular to the direction of movement of the movable table, and the second is mechanically rigid connected to two sliders.

6. The device according to claim 5, characterized in that the kinematic connection of the first and second plates is carried out over the center lines of the sliders.