CN103196389B - 检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，包括在实验平台上安装干涉仪、标准镜头、被检测计算全息基片和参考球面镜，标准镜头、被检测计算全息基片和参考球面镜依次位于来自干涉仪的准直光路中，并且它们的旋转中心轴与准直光束中心轴重合；参考球面镜，用于将经被检测计算全息基片转换后的波面反射回干涉仪中，转换后的波面为测试波，将转换后的波面与标准镜头提供的参考波面进行干涉，得到包含被检测计算全息基片的面形误差和材料不均匀性误差的干涉图。本发明还提供一种检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的方法。本发明有助于实现非球面的高精度检测，适用于对非球面面形进行高精度检测和计量。
Description
技术领域
本发明属于光学检测领域，涉及一种消除被检测计算全息基片(Computer Generated Hologram，CGH)面形误差和材料不均匀性误差对非球面检测结果影响的方法。
背景技术
随着应用光学的不断发展，在光学***中采用非球面越来越普遍，然而高精度的非球面检测技术却成为其广泛推广应用的瓶颈。非球面检测较之球面检测最大的问题是：由于非球面多变的面形，很难产生一个标准的非球面波前与被测波前相干涉。计算全息(Computer-generatedhologram，CGH)因其优秀的波前生成能力，恰好解决了这一难题。因此，计算全息器件配合各种商用干涉仪被广泛地用于非球面面形的高精度检测中。
为了真正实现高精度检测，必须仔细分析各种误差对检测结果的影响。用计算全息检测非球面，所包含的误差主要分为全息图的设计误差、被测镜的调整误差、全息图的制作误差及其对准误差。采用精度高的算法，可以使全息图的设计误差忽略不计。被测镜的调整误差则可以通过设计基准全息，观测实验干涉图将其控制在尽可能小的范围内。设计对准全息，可以保证计算全息器件的精确对准。因此，全息图的制作误差是决定检测精度的最关键因素。
在计算全息器件的制作误差中，基底面形误差是占主要地位的，它对检测精度的影响最大；基片材料不均匀性也会直接引入较大的检测误差，为了实现更高精度的测量，基底面形误差和基片材料不均匀性误差对检测精度的影响需要被消除。传统消除基底面形误差对检测精度影响的方法是在写全息前利用干涉仪直接测量基底面形误差值，然后从写入后得到的干涉图中减去这个误差值，这个方法的难点在于无法正确记录写入全息前后的两幅干涉图，而且在测量过程中，由于不同的衬底情况基底可能改变形状。因此无法测量写全息过程产生的面形误差和装调过程产生的误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，从而消除计算全息基片面形和材料不均匀性误差对非球面检测结果的影响，有效地提高面形检测精度。
为达到上述目的，本发明第一方面提供检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，所述测量装置包括：
在实验平台上安装干涉仪、标准镜头、被检测计算全息基片和参考球面镜，其中，标准镜头、被检测计算全息基片和参考球面镜依次位于来自干涉仪的准直光路中，并且它们的旋转中心轴与准直光束中心轴重合，其中：
干涉仪，用于提供一束准直光；
标准镜头，用于将准直光束进行会聚并提供标准球面波面和用于干涉的参考波面；
被检测计算全息基片，将从标准镜头出射的标准球面波面转换成与参考球面镜面形一致的波面，以及将由参考球面镜反射回的波面转换为球面波；
参考球面镜，用于将经被检测计算全息基片转换后的波面反射回干涉仪中，转换后的波面为测试波，将转换后的波面与标准镜头提供的参考波面进行干涉，得到包含被检测计算全息基片的面形误差和材料不均匀性误差干涉图。
为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的方法，该方法通过如下步骤来实现：
步骤S1：利用第一调整机构和第二调整机构装调干涉仪标准镜头，保证干涉仪出射光束的光轴和标准镜头出射光束的光轴同轴；
步骤S2：利用标准镜头将从干涉仪出射的平行光转换为标准球面波，该标准球面波的部分能量被标准镜头最后一个表面反射回干涉仪作为参考球面波；
步骤S3：将被检测计算全息基片放置在标准球面波的发散光束上，位于参考球面镜之前的相应位置，标准球面波经过被检测计算全息基片透射衍射，使得被检测计算全息基片的零级衍射波面垂直入射到参考球面镜上并经参考球面镜反射，得到测试波面；该测试波面经过被检测计算全息基片透射衍射后传播到干涉仪中并与标准镜头提供的参考光形成检测干涉图；该干涉图包含了被检测计算全息基片的面形误差、材料不均匀性误差和零级波面的像差，所述零级波面的像差是球差；
步骤S4：在光学设计软件CODE V中仿真零级波面的波像差波面，将波像差波面用Zernike多项式表示，然后从步骤S3得到的干涉图中减去波像差波面的波像差；
步骤S5：消除掉波像差的干涉图中就只剩下被检测计算全息基片的面形误差和材料不均匀性误差信息，由于被标准镜头转换成的标准球面波先后两次经过被检测计算全息基片的透射衍射，因此得到的干涉图中包含的面形误差和材料不均匀性误差值的大小实际为被检测计算全息基片上的面形误差和材料不均匀性误差真实值的两倍，将从干涉图中得到的面形误差和材料不均匀性误差值减半，就可得到被检测计算全息基片上真实的面形误差和材料不均匀性误差大小。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明是利用从被检测计算全息基片衍射的零级光测量出基底表面的不规则性和材料的不均匀性的大小，然后从利用被检测计算全息基片进行非球面面形检测得到的表征非球面面形质量的干涉图中减去零级衍射光测量出的面形和材料不均匀性误差值，这样就可以消除基底面形误差和基片材料不均匀性误差对非球面检测结果的影响。本发明不但很好的解决了传统方法测量基底面形误差存在的问题，而且还能同时测量出基片材料不均匀性误差的大小。
本发明解决了传统方法无法正确记录写入全息前后的两幅干涉图，在测量过程中，由于基底可能改变形状而造成不能准确标定出基底面形误差的问题。而且在标定出基底面形误差的同时也能标定出基片材料不均匀性误差。本发明可以在精确检测出计算全息基片面形和材料不均匀性误差值的基础上，完全消除基底面形误差和基片材料不均匀性误差对检测结果的影响，因此有助于提高检测精度，适合于对非球面面形进行高精度检测的生产企业、科研和检测单位使用。
本发明有助于提高检测精度，实现非球面的高精度检测，适用于对非球面面形进行高精度检测的生产企业、科研院所和检测计量单位使用。
附图说明
图1为本发明检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置的结构图；
图2为本发明检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，实现本发明的测量装置包括在实验平台1上安装的干涉仪2、标准镜头3、被检测计算全息基片4和参考球面镜5，其中，标准镜头3、被检测计算全息基片4和参考球面镜5依次位于来自干涉仪2的准直光路中，并且它们的旋转中心轴与准直光束中心轴重合。
干涉仪2，用于提供一束准直光；
标准镜头3，用于将准直光束进行会聚并提供标准球面波面和用于干涉的参考波面；
被检测计算全息基片4，将从标准镜头3出射的标准球面波面转换成与参考球面镜5面形一致的波面，以及将由参考球面镜5反射回的波面转换为球面波；
参考球面镜5，用于将经被检测计算全息基片4转换后的波面反射回干涉仪2中，转换后的波面为测试波，将转换后的波面与标准镜头3提供的参考波面进行干涉，得到包含被检测计算全息基片4的面形误差和材料不均匀性误差干涉图。
所述干涉仪2固定在第一调整机构6上，第一调整机构6，用于调节干涉仪2的俯仰，通过调节第一调整机构6，保证从干涉仪2出射的平行光束能水平传播。所述干涉仪2出射光为632.8nm的单色光。所述干涉仪2的型号可以为Zygo干涉仪或者菲索干涉仪。
所述标准镜头3固定在第二调整机构7上，第二调整机构7用于调节标准镜头3的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移，通过调节第二调整机构7，保证从标准镜头3出射的光束的光轴保持水平且与从干涉仪2出射光光轴同轴。所述标准镜头3经第二调整机构7固定在干涉仪2的光孔处。从所述标准镜头3出射的发散光束能完全覆盖照射到被检测计算全息基片4上。所述标准镜头3，用于将干涉仪2提供的准直光束进行会聚并将从干涉仪2出射的平行光转换为标准球面波，该标准球面波的部分能量被标准镜头3最后一个表面反射回干涉仪2作为参考球面波；所述标准镜头3的F数以大于1的为宜。所述从标准镜头3出射的会聚光束的数值孔径必须大于入射被检测计算全息基片4的光束数值孔径，保证被检测计算全息基片4能被完全照射。
所述被检测计算全息基片4固定在第三调整机构8上，第三调整机构8用于调节被检测计算全息基片4的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移，通过调节第三调整机构8，保证从被检测计算全息基片4出射的光束的光轴保持水平且与从干涉仪2出射光光轴同轴。所述被检测计算全息基片4为二元纯位相型环状计算全息。所述被检测计算全息基片4是利用计算机设计出所需要的波面位相，再利用微电子工艺技术在基底上经刻蚀产生两个或多个等级台阶分布。所述被检测计算全息基片4的制作包括掩膜版的制作、图形转印及刻蚀。被检测计算全息基片4若选用的基底为热稳定性及化学稳定性较高的K9玻璃材料，应用湿法刻蚀方法，并且需要镀铬。若选用熔石英作基底材料，则无需镀铬，采用干法刻蚀方法。所述被检测计算全息基片4上需要镀厚度为100nm以下的增透膜。
所述参考球面镜5固定在第四调整机构9，第四调整机构9用于调节参考球面镜5的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移，通过调节第四调整机构9，保证从参考球面镜5反射回的光束的光轴保持水平且与从干涉仪2出射光光轴同轴。所述参考球面镜5的材料可以选取能在其上镀反射膜的任何材料，如石英等。所述参考球面镜5和被检测计算全息基片4之间的间距在设计时需要满足以下条件：标准镜头3转换成的标准球面波经过被检测计算全息基片4的透射衍射后形成零级衍射光和各级次的非零级衍射光，参考球面镜5和被检测计算全息基片4之间的间距要刚好使零级衍射光经过被检测计算全息基片4时满足光的折射定理，并且零级衍射波面要垂直入射到参考球面镜5上并经参考球面镜5反射原路返回到干涉仪中。
所述第二调整机构7、第三调整机构8和第四调整机构9都为五维精密调整机构，分别用于调整标准镜头3、被检测计算全息基片4和参考球面镜5的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移。
本发明为实现非球面的高精度精测，图2示出了检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的方法流程，该方法通过如下步骤来实现：
步骤S1：利用第一调整机构6和第二调整机构7装调干涉仪2、标准镜头3，保证干涉仪2出射光束的光轴和标准镜头3出射光束的光轴同轴；
步骤S2：利用标准镜头3将从干涉仪2出射的平行光转换为标准球面波，该标准球面波的部分能量被标准镜头3最后一个表面反射回干涉仪2作为参考球面波；
步骤S3：将被检测计算全息基片4放置在标准球面波的发散光束上，位于参考球面镜5之前的相应位置，标准球面波经过被检测计算全息基片4透射衍射，使得被检测计算全息基片4的零级衍射波面垂直入射到参考球面镜5上并经参考球面镜5反射，得到测试波面；该测试波面经过被检测计算全息基片4透射衍射后传播到干涉仪2中并与标准镜头3提供的参考光形成检测干涉图；该干涉图包含了被检测计算全息基片4的面形误差、材料不均匀性误差和零级波面的像差，所述零级波面的像差是球差；
步骤S4：在光学设计软件CODE V中仿真零级波面的波像差波面，将波像差波面用Zernike多项式表示，然后从步骤S3得到的干涉图中减去波像差波面的波像差；
步骤S5：消除掉波像差的干涉图中就只剩下被检测计算全息基片4的面形误差和材料不均匀性误差信息，由于被标准镜头3转换成的标准球面波先后两次经过被检测计算全息基片4的透射衍射，因此得到的干涉图中包含的面形误差和材料不均匀性误差的大小实际为被检测计算全息基片4上的面形误差和材料不均匀性误差真实值的两倍，将从干涉图中得到的面形误差和材料不均匀性误差值减半，就可得到被检测计算全息基片4上真实的面形误差和材料不均匀性误差大小。
续请见图1所示，使用该装置检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差时，由于被检测计算全息基片4具有一定的厚度，步骤S3中用零级衍射波来标定计算全息基片4的面形和材料不均匀性误差时会引入像差，该像差主要是球差，球差的均方根波像差值可以表示为下式：
其中WSA为球差的均方根波像差值，t为被检测计算全息基片4的厚度，n为被检测计算全息基片4材料的折射率，Fn为标准镜头3的F数。从公式(1)可以看出，对于相同厚度的计算全息基片4，标准镜头3的F数越大，引入的球差就会较小。
为了能得到计算全息基片4的面形和材料不均匀性误差的真实值，必须要消除球差的影响。如步骤S4所说，首先利用光学设计软件CODEV仿真零级波面的波像差波面，然后由格兰姆-施密特(Gram-Schmidt)正交化方法将零级波的波像差波面进行泽尼克(Zernike)多项式拟合：
其中，F(ρ，θ)为波像差波面，ai为检测波面的泽尼克拟合系数；Zi(ρ，θ)为泽尼克多项式，它采用极坐标表达，ρ为极坐标半径，θ为极坐标角度，i＝1，2，3......N；i为单项泽尼克多项式对应的编号，N为泽尼克多项式的总项数；为由泽尼克拟合系数和泽尼克多项式表示的波面面形；当i为9时，对应的泽尼克多项式为6ρ4-6ρ2+1，它代表波面的球差。波像差波面泽尼克多项式的第9项泽尼克系数就是球差的具体值，从步骤S3得到的干涉图中减去该球差值，干涉图中剩下的信息就为被检测计算全息基片4的面形和材料不均匀性误差信息。
由于被标准镜头3转换成的标准球面波先后两次经过被检测计算全息基片4的透射衍射，如果被检测计算全息基片4存在面形和材料不均匀误差，标准球面波每经过一次计算全息基片4的透射衍射，面形和材料不均匀误差就会反映在得到的干涉图中，因此得到的干涉图中就叠加了两倍的面形误差和材料不均匀性误差值。将消除掉球差影响的干涉图中剩余的面形和材料不均匀性误差值减半，就可得到被检测计算全息基片4上真实的面形和材料不均匀性误差大小。
为了消除计算全息基片的面形和材料不均匀性误差对非球面检测结果的影响，在检测得到计算全息基片4真实的面形和材料不均匀性误差大小的基础上，还需要完成以下工作：
搭建Zygo或菲索干涉仪检测非球面光路，此光路为共光路结构，和图1的装置结构图类似，唯一的区别就是把图一中的参考球面镜5替换成待检测的非球面镜；
由标准镜头转换成的标准球面波经计算全息基片透射衍射后在被测非球面镜位置沿理想法线方向入射并原路返回，携带被测面面形信息的反射光波再次经过计算全息基片透射衍射后传播到干涉仪中并与标准镜头提供的参考光形成检测干涉图，该干涉图中包含了待测非球面面形信息，还包含了计算全息基片的面形和材料不均匀性误差信息。用该干涉图减去利用本发明标定出的计算全息基片的面形和材料不均匀性误差值，就能彻底消除计算全息基片的面形和材料不均匀性误差对非球面检测结果的影响，显著地提高非球面检测精度。
以上所述，仅为本发明用于检测计算全息基片的面形和材料不均匀性误差的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的检测对象不局限于计算全息基片，还包括其他具有反射或透射性质的基片，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，其特征在于：所述装置包括：
在实验平台(1)上安装干涉仪(2)、标准镜头(3)、被检测计算全息基片(4)和参考球面镜(5)，其中，标准镜头(3)、被检测计算全息基片(4)和参考球面镜(5)依次位于来自干涉仪(2)的准直光路中，并且它们的旋转中心轴与准直光束中心轴重合，其中：
干涉仪(2)，用于提供一束准直光；
标准镜头(3)，用于将准直光束进行会聚并将从干涉仪(2)出射的平行光转换为标准球面波面和用于干涉的参考波面；该标准球面波的部分能量被标准镜头(3)最后一个表面反射回干涉仪(2)作为参考球面波；所述标准镜头(3)的F数大于1；所述标准镜头(3)经第二调整机构(7)固定在干涉仪(2)的光孔处；所述从标准镜头(3)出射的会聚光束的数值孔径必须大于入射被检测计算全息基片(4)的光束数值孔径，保证被检测计算全息基片(4)能被完全照射；
被检测计算全息基片(4)，将从标准镜头(3)出射的标准球面波面转换成与参考球面镜(5)面形一致的波面，以及将由参考球面镜(5)反射回的波面转换为球面波；所述被检测计算全息基片(4)是利用计算机设计出所需要的波面位相，再利用微电子工艺技术在基底上经刻蚀产生两个或多个等级台阶分布；
参考球面镜(5)，用于将经被检测计算全息基片(4)转换后的波面反射回干涉仪(2)中，转换后的波面为测试波，将转换后的波面与标准镜头(3)提供的参考波面进行干涉，得到包含被检测计算全息基片(4)的面形误差和材料不均匀性误差干涉图；所述参考球面镜(5)和被检测计算全息基片(4)之间的间距在设计时需要满足以下条件：标准镜头(3)转换成的标准球面波经过被检测计算全息基片(4)的透射衍射后形成零级衍射光和各级次的非零级衍射光，参考球面镜(5)和被检测计算全息基片(4)之间的间距要刚好使零级衍射光经过被检测计算全息基片(4)时满足光的折射定理，并且零级衍射波面要垂直入射到参考球面镜(5)上并经参考球面镜(5)反射原路返回到干涉仪中。
2.如权利要求1所述检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，其特征在于：所述干涉仪(2)固定在第一调整机构(6)上，第一调整机构(6)，用于调节干涉仪(2)的俯仰，通过调节第一调整机构(6)，保证从干涉仪(2)出射的平行光束能水平传播。
3.如权利要求2所述检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，其特征在于：所述标准镜头(3)固定在第二调整机构(7)上，第二调整机构(7)用于调节标准镜头(3)的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移，通过调节第二调整机构(7)，保证从标准镜头(3)出射的光束的光轴保持水平且与从干涉仪(2)出射光光轴同轴。
4.如权利要求3所述检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，其特征在于：所述被检测计算全息基片(4)固定在第三调整机构(8)上，第三调整机构(8)用于调节被检测计算全息基片(4)的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移，通过调节第三调整机构(8)，保证从被检测计算全息基片(4)出射的光束的光轴保持水平且与从干涉仪(2)出射光光轴同轴。
5.如权利要求4所述检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，其特征在于：所述参考球面镜(5)固定在第四调整机构(9)，第四调整机构(9)用于调节参考球面镜(5)的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移，通过调节第四调整机构(9)，保证从参考球面镜(5)反射回的光束的光轴保持水平且与从干涉仪(2)出射光光轴同轴。
6.如权利要求1所述检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，其特征在于：所述第二调整机构(7)、第三调整机构(8)和第四调整机构(9)都为五维精密调整机构，分别用于调整标准镜头(3)、被检测计算全息基片(4)和参考球面镜(5)的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移。
7.如权利要求1所述检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，其特征在于：所述干涉仪(2)出射光为632.8nm的单色光。
8.如权利要求1所述检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，其特征在于：所述被检测计算全息基片(4)为二元纯位相型环状计算全息。
9.如权利要求1所述检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置，其特征在于：从所述标准镜头(3)出射的发散光束能完全覆盖照射到被检测计算全息基片(4)上。
10.一种使用权利要求1所述检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的装置的检测计算全息基片面形和材料不均匀性误差的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：利用第一调整机构和第二调整机构装调干涉仪、标准镜头，保证干涉仪出射光束的光轴和标准镜头出射光束的光轴同轴；
步骤S2：利用标准镜头将从干涉仪出射的平行光转换为标准球面波，该标准球面波的部分能量被标准镜头最后一个表面反射回干涉仪作为参考球面波；
步骤S3：将被检测计算全息基片放置在标准球面波的发散光束上，位于参考球面镜之前的相应位置，标准球面波经过被检测计算全息基片透射衍射，使得被检测计算全息基片的零级衍射波面垂直入射到参考球面镜上并经参考球面镜反射，得到测试波面；该测试波面经过被检测计算全息基片透射衍射后传播到干涉仪中并与标准镜头提供的参考光形成检测干涉图；该干涉图包含了被检测计算全息基片的面形误差、材料不均匀性误差和零级波面的像差，所述零级波面的像差是球差；
步骤S4：在光学设计软件CODE V中仿真零级波面的波像差波面，将波像差波面用Zemike多项式表示，然后从步骤S3得到的干涉图中减去波像差波面的波像差；
步骤S5：消除掉波像差的干涉图中就只剩下被检测计算全息基片的面形误差和材料不均匀性误差信息，由于被标准镜头转换成的标准球面波先后两次经过被检测计算全息基片的透射衍射，因此得到的干涉图中包含的面形误差和材料不均匀性误差的大小实际为被检测计算全息基片上的面形误差和材料不均匀性误差真实值的两倍，将从干涉图中得到的面形误差和材料不均匀性误差值减半，就可得到被检测计算全息基片上真实的面形误差和材料不均匀性误差大小。
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