CN114562954A

CN114562954A - 柱面镜的cgh补偿绝对检验方法

Info

Publication number: CN114562954A
Application number: CN202210060815.3A
Authority: CN
Inventors: 陈善勇; 戴一帆; 翟德德; 刘俊峰; 熊玉朋; 彭小强
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2042-01-19
Also published as: CN114562954B

Abstract

本发明公开了一种柱面镜的CGH补偿绝对检验方法，该方法先通过带有标准平面镜头的平面波干涉仪和CGH补偿器对柱面镜的共焦位置进行零位检测，得到检测结果W1，之后绕平行于柱面镜的轴线方向前后翻转CGH补偿器，对柱面镜的共焦位置进行零位检测，得到检测结果W2，最后移去柱面镜，CGH补偿器前后翻转恢复初始位置，将标准平面反射镜置于柱面测试波的焦线位置进行检测，得到检测结果W3，通过计算得到柱面镜的CGH补偿面形误差绝对检验结果。本发明的方法通过三个检验位置完全分离出CGH补偿器引入的面形误差，获得柱面镜的CGH补偿绝对检验结果，具有操作简易和精度高的优点。

Description

柱面镜的CGH补偿绝对检验方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种柱面镜的CGH补偿绝对检验方法。

背景技术

柱面是一个方向的曲率半径为有限值，另一个方向的曲率半径为无穷大的曲面，可看作是由直母线沿着垂直于母线的平面内曲线运动而生成。由于柱面的双曲率性质，柱面光学元件常用于校正像散或线聚焦/成像，被广泛应用于激光***、同步辐射***和X射线望远镜***中。柱面镜的面形误差测量通常采用波面干涉仪配备标准平面镜头，经计算机生成全息图(Computer Generated Hologram,CGH)补偿器产生柱面测试波，可对柱面镜进行零位检验，即若被测面形没有误差，将得到零条纹的干涉图。但是上述方法是相对测量，测得的面形误差是以CGH补偿器衍射产生的柱面波前为基准的，即测量精度始终受限于CGH补偿器的精度。

CGH补偿器是在平行平板上制作衍射结构，是变周期的曲线型二元台阶，通过衍射作用生成柱面测试波。CGH尺寸通常为100～150mm，而衍射结构特征尺寸为微米级，衍射图样或结构的误差为亚微米甚至更小。CGH补偿器的衍射结构制造误差包括刻蚀深度、图样畸变、占空比误差等都会对衍射波前产生影响，采用原子力显微镜或扫描白光干涉仪等三维形貌显微测量设备，直接测量CGH补偿器全口径的制造误差显然效率极低。此外，通过测量CGH补偿器制造误差来计算其生成的衍射波前误差，也涉及复杂耗时的物理光学计算过程。

通常光学面形可通过平移、旋转或平移旋转法分离***误差，获得被测面形的绝对检验结果，前提是不改变被测面形的零位检验条件。柱面镜可用平移旋转法，即沿着柱面镜轴线方向平移和绕柱面镜轴线的转动，获得多次测量数据后相减得到分离了***误差的差分波前，然后积分重构出柱面镜的面形误差，但是差分重构算法本质上会丢失一些信息，而且该方法只适用于圆柱面，不适用于非圆柱面，非圆柱面在旋转后不满足零位检验条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简易、精度高的柱面镜的CGH补偿绝对检验方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种柱面镜的CGH补偿绝对检验方法，包括以下步骤：

S1、利用带有标准平面镜头的平面波干涉仪和CGH补偿器对柱面镜进行共焦位置零位检验和焦线位置检验：

S11、所述平面波干涉仪经标准平面镜头发出平面测试波被CGH补偿器变换为柱面测试波，且柱面测试波的焦线与柱面镜的轴线重合，进行共焦位置零位检验并测得第一组数据，存盘为W1；

S12、其余检验条件保持不变，所述CGH补偿器绕平行于柱面镜的轴线方向前后翻转，调整柱面镜到CGH补偿器的轴向距离，使得柱面测试波的焦线仍与柱面镜的轴线重合，进行共焦位置零位检验并测得第二组数据，存盘为W2；

S13、移去柱面镜，CGH补偿器前后翻转恢复初始位置，将标准平面反射镜置于柱面测试波的焦线位置，柱面测试波的焦线与标准平面反射镜的X轴方向截线重合，进行检测测得第三组数据，存盘为W3；

S2、计算柱面镜的CGH补偿面形误差绝对检验结果T；

S21、计算所述CGH补偿器引入的面形误差H(x,y)：

H(x,y)＝1/2[W1(x,y)-W2(x,y)+W3(x,y)+W3(x,-y)-R(-x,y)-R(-x,-y)-2P(x)+Δ(x,y)]

其中，R为标准平面镜头的参考面误差，P为标准平面反射镜的X轴方向截线的轮廓误差，Δ为CGH补偿器前后翻转引入的面形误差，(x,y)、(x,-y)、(-x,y)、(-x,-y)为镜面上的横向坐标，其中x为平行于柱面镜(1)轴线方向的X轴坐标，y为垂直于干涉仪光轴的平面内与X轴正交的Y轴坐标；

S22、计算所述柱面镜的面形误差T(x,y)：

T(x,y)＝W1(x,y)-H(x,y)-R(-x,y)。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S11和S12中，柱面镜满足共焦位置零位检验条件，平面波干涉仪经标准平面镜头和CGH补偿器发出的柱面测试光束法向入射到柱面镜，被柱面镜反射后沿原路返回平面波干涉仪。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S13中，标准平面反射镜处于柱面测试波的焦线位置，平面波干涉仪经标准平面镜头和CGH补偿器发出的柱面测试光束入射到标准平面反射镜，反射后沿着关于X轴对称的位置返回平面波干涉仪。

作为上述技术方案的进一步改进，所述柱面镜通过夹具设有以下调节自由度：沿Z(Z轴)方向和Y(Y轴)方向的移动自由度、绕X(X轴)、Y和Z方向的旋转自由度，所述Z方向为光轴方向；所述CGH补偿器通过夹具设有以下调节自由度：绕X、Y方向的旋转自由度；所述标准平面反射镜通过夹具设有以下调节自由度：沿Z方向的移动自由度、绕Y方向的旋转自由度。

作为上述技术方案的进一步改进，步骤S21和S22中，CGH补偿器前后翻转引入的面形误差Δ通过光线追迹方法获得，标准平面镜头的参考面误差R和标准平面反射镜的X轴方向截线的轮廓误差P通过预先校准获得(溯源到平面标准物质)。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的柱面镜的CGH补偿绝对检验方法适用于圆柱面和非圆柱面，通过三个检验位置依次进行共焦和焦线位置的测量，三次测量数据进行加减法操作即可分离出CGH补偿器引入的面形误差，获得柱面镜的绝对检验结果，具有操作简易和精度高的优点。

附图说明

图1是本发明实施例1第一组数据W1的共焦位置零位检验的原理图(正视图)。

图2是本发明实施例1第一组数据W1的共焦位置零位检验的原理图(俯视图)。

图3是本发明实施例1第二组数据W2的共焦位置零位检验的原理图(正视图)。

图4是本发明实施例1第二组数据W2的共焦位置零位检验的原理图(俯视图)。

图5是本发明实施例1第三组数据W3的焦线位置检验的原理图(正视图)。

图6是本发明实施例1第三组数据W3的焦线位置检验的原理图(俯视图)。

图7是本发明实施例1柱面镜共焦位置零位检验的光路和夹具自由度调节示意图。

图8是本发明实施例1中CGH补偿器的全息图样区域图。

图中各标号表示：

1、柱面镜；2、平面波干涉仪；3、标准平面镜头；4、CGH补偿器；5、标准平面反射镜；6、柱面测试波的焦线；7、柱面镜的夹具；8、CGH补偿器的夹具；21、用于CGH对准的对准光束；22、用于柱面镜定位的标记光束；41、CGH补偿器的测试全息区域；42、CGH补偿器的对准全息区域；43、CGH补偿器的标记全息区域。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

图1至图6示出了本发明柱面镜的CGH补偿绝对检验方法的一种实施例，该方法包括以下步骤：

S1、测量：利用带有标准平面镜头3的平面波干涉仪2和CGH补偿器4对柱面镜1进行共焦位置零位检验和焦线位置检验，具体按以下分步骤执行；

S11、平面波干涉仪2经标准平面镜头3发出平面测试波被CGH补偿器4变换为柱面测试波，且柱面测试波的焦线6与柱面镜1的轴线重合，进行共焦位置零位检验并测得第一组数据，存盘为W1，如图1和图2所示；

S12、其余检验条件保持不变，CGH补偿器4绕平行于柱面镜的轴线方向前后翻转(迎光面改为背光面)，调整柱面镜1到CGH补偿器4的轴向距离，使得柱面测试波的焦线6仍与柱面镜1的轴线重合，进行共焦位置零位检验并测得第二组数据，存盘为W2，如图3和图4所示；

S13、移去柱面镜1，CGH补偿器4前后翻转恢复初始位置，将标准平面反射镜5置于柱面测试波的焦线位置，焦线6与标准平面反射镜5的X轴方向截线重合，进行检测测得第三组数据，并存盘为W3，如图5和图6所示。

S2、计算：通过简单的加减法操作可计算得到柱面镜1的面形误差绝对检验结果T，具体按以下分步骤执行；

S21、计算CGH补偿器4引入的面形误差H(x,y)：

H(x,y)＝1/2[W1(x,y)-W2(x,y)+W3(x,y)+W3(x,-y)-R(-x,y)-R(-x,-y)-2P(x)+Δ(x,y)]

其中，R为标准平面镜头(3)的参考面误差，P为标准平面反射镜(5)的X轴方向截线的轮廓误差，Δ为CGH补偿器(4)前后翻转引入的面形误差，(x,y)、(x,-y)、(-x,y)、(-x,-y)为镜面上的横向坐标，其中x为平行于柱面镜(1)轴线方向的X轴坐标，y为垂直于干涉仪光轴的平面内与X轴正交的Y轴坐标；

S22、计算柱面镜1的面形误差T(x,y)：

T(x,y)＝W1(x,y)-H(x,y)-R(-x,y)

本实施例中，被测柱面镜1的顶点曲率半径为R＝1959mm，通光口径为100mm。CGH补偿器的基板为6英寸方形、厚度6.4mm的石英平板。

步骤S11和S12中，柱面镜1满足共焦位置零位检验条件，平面波干涉仪2经标准平面镜头3和CGH补偿器4发出的柱面测试光束法向入射到柱面镜1，被柱面镜反射后沿原路返回平面波干涉仪2。CGH补偿器4与标准平面镜头3存在一定的夹角以隔离CGH补偿器4干扰级次衍射造成的鬼像，角度由CGH补偿器4的载频确定。

步骤S11中，CGH补偿器4的刻蚀面为迎光面，非刻蚀面为背光面，背光面到柱面镜1的轴向距离为100mm。

步骤S12中，CGH补偿器4前后翻转后，非刻蚀面为迎光面，刻蚀面为背光面，背光面到柱面镜的轴向距离为104.392mm。

步骤S13中，标准平面反射镜5处于柱面测试波的焦线6位置，平面波干涉仪2经标准平面镜头3和CGH补偿器4发出的柱面测试光束入射到标准平面反射镜5，反射后沿着关于X轴对称的位置返回平面波干涉仪2。

如图7所示，柱面镜的夹具7设有以下调节自由度：沿Z(光轴)方向和Y方向的移动自由度、绕X、Y和Z方向的旋转自由度；CGH补偿器的夹具8设有以下调节自由度：绕X和Y方向的旋转自由度。标准平面反射镜5的夹具设有以下调节自由度：沿Z方向的移动自由度、绕Y方向的旋转自由度。

步骤S21和S22中，CGH补偿器4前后翻转引入的面形误差Δ可通过光线追迹方法获得，本实施例中Δ<0.0002λ(λ＝632.8nm为平面波干涉仪2的工作波长)可以忽略。标准平面镜头3的参考面误差R和标准平面反射镜5的X轴方向截线的轮廓误差P可通过预先校准获得(溯源到平面标准物质)，本实施例中R和P均小于0.05λ，可以忽略，因而H(x,y)＝1/2[W1(x,y)-W2(x,y)+W3(x,y)+W3(x,-y)]，T(x,y)＝W1(x,y)-H(x,y)。

如图7和图8所示，本实施例中，CGH补偿器4的全息图样包含三个区域，中心部分为CGH补偿器的测试全息区域41，用于将平面波干涉仪2经标准平面镜头3发出的平面测试波变换为柱面测试波；边缘环带区域为CGH补偿器的对准全息区域42，用于对准CGH补偿器4与平面波干涉仪2，本实施例中，对准全息是平行于柱面镜1轴线方向的光栅图样，光栅周期为6μm，将平面测试波中用于CGH对准的对准光束21反射回平面波干涉仪2，形成零条纹干涉图样即表明CGH补偿器4与标准平面镜头3存在设定的绕柱面镜1轴线旋转的3°夹角；边缘环带上的小圆区域为CGH补偿器的标记全息区域43，用于定位柱面镜1，将平面测试波中用于柱面镜定位的标记光束22变换为柱面镜1指定位置的聚焦光点或十字叉丝。

本实施例的柱面镜的CGH补偿绝对检验方法，利用共焦位置和焦线位置三个位置上的测量数据经过简单的数学运算即可分离出CGH补偿器4引入的面形误差，获得柱面镜1的绝对检验结果，具有操作简易和精度高的优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种柱面镜的CGH补偿绝对检验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用带有标准平面镜头(3)的平面波干涉仪(2)和CGH补偿器(4)对柱面镜(1)进行共焦位置零位检验和焦线位置检验：

S11、所述平面波干涉仪(2)经标准平面镜头(3)发出平面测试波被CGH补偿器(4)变换为柱面测试波，且柱面测试波的焦线(6)与柱面镜(1)的轴线重合，进行共焦位置零位检验并测得第一组数据，存盘为W1；

S12、其余检验条件保持不变，所述CGH补偿器(4)绕平行于柱面镜(1)的轴线方向前后翻转，调整柱面镜(1)到CGH补偿器(4)的轴向距离，使得柱面测试波的焦线(6)仍与柱面镜(1)的轴线重合，进行共焦位置零位检验并测得第二组数据，存盘为W2；

S13、移去柱面镜(1)，CGH补偿器(4)前后翻转恢复初始位置，将标准平面反射镜(5)置于柱面测试波的焦线位置，柱面测试波的焦线(6)与标准平面反射镜(5)的X轴方向截线重合，进行检测测得第三组数据，存盘为W3；

S2、计算柱面镜的CGH补偿面形误差绝对检验结果T；

S21、计算所述CGH补偿器(4)引入的面形误差H(x,y)：

H(x,y)＝1/2[W1(x,y)-W2(x,y)+W3(x,y)+W3(x,-y)-R(-x,y)-R(-x,-y)-2P(x)+Δ(x,y)]

S22、计算所述柱面镜(1)的面形误差T(x,y)：

T(x,y)＝W1(x,y)-H(x,y)-R(-x,y)。

2.根据权利要求1所述的柱面镜的CGH补偿绝对检验方法，其特征在于，步骤S11和S12中，柱面镜(1)满足共焦位置零位检验条件，平面波干涉仪(2)经标准平面镜头(3)和CGH补偿器(4)发出的柱面测试光束法向入射到柱面镜(1)，被柱面镜(1)反射后沿原路返回平面波干涉仪(2)。

3.根据权利要求1所述的柱面镜的CGH补偿绝对检验方法，其特征在于，步骤S13中，标准平面反射镜(5)处于柱面测试波的焦线(6)位置，平面波干涉仪(2)经标准平面镜头(3)和CGH补偿器(4)发出的柱面测试光束入射到标准平面反射镜(5)，反射后沿着关于X轴对称的位置返回平面波干涉仪(2)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的柱面镜的CGH补偿绝对检验方法，其特征在于，所述柱面镜(1)通过夹具设有以下调节自由度：沿Z方向和Y方向的移动自由度、绕X、Y和Z方向的旋转自由度，所述Z方向为光轴方向；所述CGH补偿器(4)通过夹具设有以下调节自由度：绕X、Y方向的旋转自由度；所述标准平面反射镜(5)通过夹具设有以下调节自由度：沿Z方向的移动自由度、绕Y方向的旋转自由度。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的柱面镜的CGH补偿绝对检验方法，其特征在于，步骤S21和S22中，CGH补偿器(4)前后翻转引入的面形误差Δ通过光线追迹方法获得，标准平面镜头(3)的参考面误差R和标准平面反射镜(5)的X轴方向截线的轮廓误差P通过预先校准获得。