Прецизионная оптическая диагностика

Прецизионная оптическая метрология, разработка методов прецизионных оптических измерений – одно из важных направлений работы Отделения нелинейной динамики и оптики. За последние годы сотрудники ИПФ РАН под руководством И. Е. Кожеватова решили ряд задач, связанных с проблемой высокоточной регистрации оптических полей.

Интерферометр с дифракционной волной сравнения на основе одномодового световода. Разработан интерференционный метод измерения оптических полей от удаленных объектов и внешних источников, в котором опорный пучок получается из исследуемого пучка путем фильтрации его пространственного спектра одномодовым световодом. Благодаря такому способу формирования опорного пучка удалось свести к минимуму влияние на точность измерений флуктуаций воздуха на пути прохождения зондирующего излучения. Новый алгоритм восстановления фазы интерферограммы позволил значительно снизить воздействие вибраций элементов оптической схемы интерферометра на точность измерений. Для исключения влияния на результаты измерений фазовых ошибок, вызванных неидеальностью элементов оптической схемы, разработана процедура калибровки интерферометра, позволяющая определить эти ошибки с целью дальнейшего их вычитания из измеряемых распределений фазы поля. Вышеперечисленные предложения позволили достигнуть нанометровой точности измерения формы удаленных оптических элементов и фазы волновых полей от внешних источников.

Оптический растровый метод построения изображений с субволновым разрешением. Предложен растровый метод измерения структуры ближнего поля и характеристик поверхностей с субволновым пространственным разрешением. Метод позволяет получать информацию о структуре образца одновременно по всей его поверхности, что обеспечивает значительно более быстрый съем данных по сравнению с традиционной ближнепольной сканирующей оптической микроскопией. Идея метода основана на преобразовании ближнего светового поля в распространяющиеся волны двумерным растром с субволновой структурой, расположенным в непосредственной близости от исследуемой поверхности. Структура поверхности определяется по результатам измерений в дальнем поле средствами обычной интерферометрии или микроскопии. Метод позволит получать трехмерные изображения биологических объектов и разрабатываемых элементов квантовых вычислительных устройств с недостижимыми для классической оптики разрешениями. Метод опробован в численных экспериментах, и собрана установка для его экспериментальной проверки.

Метод калибровки пространственного распределения светочувствительности матричных фотоприемников. Задача точной регистрации пространственной структуры интенсивности оптического излучения играет существенную роль в прецизионной оптической метрологии, в частности при регистрации оптических волновых полей и построении объемных изображений. Основным фактором, ограничивающим точность измерения пространственных распределений интенсивности, является пространственная неоднородность чувствительности светорегистрирующих устройств – матричных фотоприемников на основе ПЗС и КМОП.

В ИПФ РАН разработан и экспериментально апробирован метод калибровки пространственного распределения светочувствительности матричных фотоприемников. Основная идея метода заключается в измерении стабильных по времени распределений интенсивности светового пучка при нескольких различных комбинациях взаимного положения измеряемого двумерного распределения интенсивности и матрицы фотоприемника. Такая методика при выполнении некоторых условий для комбинации и числа экспериментов позволяет получить массив данных, из которого восстанавливается распределение светочувствительности матричного приемника и распределение интенсивности светового пучка.

Разработаны схема экспериментальной установки, порядок работы с ней и алгоритм восстановления пространственных распределений светочувствительности по результатам измерений. Проведены эксперименты по калибровке пространственных распределений светочувствительности ПЗС-матриц, а также по измерению распределений интенсивности оптического излучения при помощи откалиброванных матриц.

Калибровка пространственного распределения светочувствительности матричных фотоприемников при помощи разработанного метода позволяет практически исключить систематическую ошибку при измерении пространственных структур интенсивности оптического излучения, связанную с пространственной неоднородностью светочувствительности элементов матрицы. Использование откалиброванных фотоприемников позволяет регистрировать пространственную структуру интенсивности оптического излучения с точностью, определяемой шумами элементов матрицы фотоприемника.