专利名称：一种用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件的制作方法
技术领域：
本发明属于光学测试领域，尤其涉及一种用于装调或检测光学元件的计算机生成全息(CGH, Computer Generated Hologram)兀件。
背景技术：
计算全息(CGH)将先进的计算机技术与光全息技术结合起来，可以实现光全息术无法实现或难以实现的某些特殊功能。如光全息术是利用光的干涉原理，借助于参考光将物光的复振幅记录在感光材料上，能够实现这种记录的必要条件之一是物体的真实存在。然而在很多实际应用中理想的“物体”是很难制作成功的，例如，用于检测光学元件加工质量的标准件，用于光学信息处理的各种特殊的空间滤波器，用于数据存储系统的相移器，用于工程设计的复杂模型，等等。但是，用计算全息(CGH)就不难实现了。与光学全息相比，计算全息(CGH)还具有噪声低、重复性高、抗干扰能力强和能提前考虑误差因素的优点。因 此，近年来，计算全息(CGH)发展极其迅速，己应用在三维显示、全息干涉计量、空间滤波、光信息存储和激光扫描等诸多方面，随着计算机技术的日趋成熟和普及，计算全息(CGH)越来越受到人们的重视。计算全息(CGH)最重要和最有价值的应用是用于干涉测试，应用它再现和存储一些特殊形式的现实中无法用光学手段产生的光学参考波面，在干涉测试中可以用来检测一些有特殊位相变化的物体。CGH作为补偿器件，具有补偿波面精度高，占用测试空间尺寸小，易于调校等优势。点衍射干涉仪可以用于进行高精度检测非球面，其工作时的信息载体为小孔衍射波，入射光会聚点与小孔中心的重合精确度直接影响小孔衍射波面的准确性，因此，对小孔进行精确的中心定位是保证点衍射干涉仪检测精度的重要工作。基于CGH的光学系统可以实现小孔中心定位并为小孔衍射提供工作光束。本发明设计了一种新的CGH形式，利用其进行装调或检测工作时，具有精度高、操作方便等优点。
发明内容
本发明就是基于CGH在装调和检测中的优势，提供了一种新的CGH元件形式，对应于需要实现的四种功能，该CGH元件具有四个不同的衍射光栅区域，它们分别是透射主全息区域、反射对准全息区域、基准全息区域和投射全息区域。本发明以CGH元件应用于小孔中心定位装置为例，提供了一种用于小孔中心定位并为小孔衍射提供工作光束的CGH元件。除了可用于为小孔进行中心定位和为小孔衍射提供工作光束这两个功能外，本发明提供的CGH元件还可用于装调CGH和装调小孔。本发明采用的技术方案为一种用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，所述用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件包含了一个或多个功能区域，不同功能区域为不同的光栅结构，它们分别是透射主全息、反射对准全息、基准全息和投射全息。所述透射主全息是位相型光栅，而反射对准全息、基准全息、投射全息可以选取位相型光栅或振幅型光栅，所谓位相型光栅是指通过直接改变光波面的位相来实现衍射和干涉的光栅，所谓振幅型光栅是指通过改变不同区域处光波面振幅来实现衍射和干涉的光栅。所述计算机生成全息元件各区域均由结构呈周期性变化的一个或多个光栅组成；所述计算机生成全息元件的各区域根据实际情况可选取不同的光栅周期、占空比和刻槽位相深度，所谓占空比是指刻槽宽度和条纹周期的比值，所谓刻槽位相深度是由刻槽引起的光线光程改变量，它与基片的折射率和刻槽几何深度相关。所述基准全息一般由相互对称的两部分或多部分组成；所述透射主全息、基准全息和投射全息三个区域的表面覆盖增透射膜，而反射对准全息区域的表面覆盖增反射膜。所述计算机生成全息元件四个区域处的光栅被使用激光直写等手段刻蚀在基片的同一个表面上，该基片为融石英等具有合适折射率的透明材料；所述计算机生成全息元件四个区域处的光栅之间预留有便于分次曝光的间隙区域；所述计算机生成全息元件四个区域处的光栅面积大小和分布位置受各自使用的衍射级次和现阶段加工、检测水平的影响，四个区域处的光栅在保证检测干涉图观测对比度和小孔中心定位精度的基础上，根据 实际情况可以选取不同的衍射级次，选取的光栅面积大小和分布位置需要保证光栅最小周期结构的尺寸能实现加工和检测，现阶段这个尺寸为微米量级。所述透射主全息将来自于点光源的光线进行衍射，衍射光会聚于小孔中心处，该衍射光是为了实现小孔衍射而输入的工作光束，该会聚点近似为理想艾里斑，艾里斑是指点状物体经过理想成像系统所成的像。所述反射对准全息将来自于点光源的光线进行反射和衍射，其中一个衍射级次的衍射光线按照原路返回，会聚于点光源处，返回的该衍射光和参考光进行干涉，用于实现CGH元件本身的精确装调。所述基准全息将来自于点光源的光线进行衍射，其中一个级次的衍射光会聚于点衍射板的前薄膜平面上，依次被薄膜平面反射和被基准全息再次衍射后返回，会聚于点光源处，返回的该衍射光和参考光进行干涉，用于实现点衍射板上小孔的精确装调。所述投射全息将来自于点光源的光进行衍射，使得光线在(XD上产生光斑标记，该标记根据投射全息的结构形式不同可以是点标记、十字线标记或其它形状的光斑标记。所述投射全息产生的标记的对称中心、小孔中心以及点光源位于同一直线上。本发明与现有技术相比的优点在于本发明提供的CGH元件可用于实现高精度的小孔中心定位和为小孔衍射提供准确的工作光束，同时，该CGH元件可用于辅助进行CGH元件和点衍射板的高精度装调，这为小孔中心定位提供精度保证，因此，使用本发明的CGH元件来进行的装调和检测具有精度高、操作方便等优点，适合于需要对某些系统进行定位、瞄准或导向的生产企业和科研单位使用。
图I为使用本发明来进行小孔中心定位的装置示意图；图2A为本发明只含有透射主全息301的CGH元件的布局示意图；图2B为本发明含有透射主全息301和反射对准全息302的CGH元件的布局示意图；图2C为本发明含有透射主全息301和基准全息303的CGH元件的布局示意图；图2D为本发明含有透射主全息301和投射全息304的CGH兀件的布局不意图；图2E为本发明含有透射主全息301、反射对准全息302和基准全息303的CGH元件的布局不意图；图2F为本发明含有透射主全息301、反射对准全息302和投射全息304的CGH元件的布局不意图；图2G为本发明含有透射主全息301、基准全息303和投射全息304的CGH元件的布局不意图；图2H为本发明含有透射主全息301、反射对准全息302和投射全息304的CGH元 件的布局不意图；图3为实现本发明的反射对准全息302的设计原理图；图4为实现本发明的基准全息303的设计原理图；图5为制造本发明的CGH元件生产加工流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。下面以CGH元件3应用于小孔中心定位装置为例，分别详细介绍透射主全息301、反射对准全息302、基准全息303和投射全息304四个功能区的设计原理、工作原理和制作方法等内容。基于CGH元件3的光学系统可以实现小孔中心定位并为小孔衍射提供工作光束。小孔中心定位装置如图I所示，小孔中心定位装置主要由干涉仪I、标准镜头2、CGH 3、点衍射板4和CXD 5组成，其中CGH 3是光学系统中最关键的部件。所述CGH元件3上可分布透射主全息301、反射对准全息302、基准全息303和投射全息304等四个功能不同的区域，当然也可以只分布其中的一种或两种或三种。图2A所示为本发明只含有透射主全息的CGH元件的布局示意图；图28为本发明含有透射主全息和反射对准全息的CGH元件的布局示意图；图2C为本发明含有透射主全息和基准全息的CGH元件的布局示意图；图2D为本发明含有透射主全息和投射全息的CGH元件的布局示意图；图2E为本发明含有透射主全息、反射对准全息和基准全息的CGH元件的布局示意图；图2H为本发明含有透射主全息、反射对准全息和投射全息的CGH元件的布局示意图。CGH元件3的四种衍射光栅被使用激光直写或者电子束直写等刻蚀手段刻画在同一个基片的同一个表面上。CGH元件3的制作基片为融石英等具有合适折射率的透明材料。CGH元件3四个功能区域处的光栅的分布面积大小和分布位置可以有变化，这种变化是为了提高干涉图对比度和提高小孔中心定位精确度。四个功能区域处的光栅分布面积大小和分布位置受各自使用的衍射级次影响，各区域光栅根据实际情况可以使用不同的衍射级次。四个功能区域处的光栅分布面积大小和分布位置同时受现阶段加工、检测水平的影响，光栅最小周期结构的尺寸不能太小，要能实现加工、检测，采用激光加工最小周期为微米量级，若采用电子束加工最小周期为纳米量级(如用激光直写方式来刻蚀光栅，则光栅最小周期结构的尺寸不能小于I μ m)。各区域光栅之间要预留有便于分次曝光的间隙区域，为毫米级。根据各区域处光栅的分布面积大小和分布位置的不同，本发明的CGH元件具有各种结构形式，图2A —图2H只是列举了其中部分结构形式。透射主全息301是位相型光栅，使用位相型光栅有利于提高光能利用率，所谓位相型光栅是指通过改变不同区域处光波面位相来实现衍射干涉的光栅。透射主全息301由多个相互类似的周期性结构组成。透射主全息301根据实际情况可以选取使用不同的占空t匕，占空比是指刻槽宽度和条纹周期的比值；可以选取不同的刻槽位相深度，刻槽位相深度是由刻槽引起的光线光程改变量，它与基片的折射率和刻槽几何深度相关。透射主全息301根据实际情况可以分布于单个区域或多个区域。透射主全息301区域要覆盖增透射膜，透过率大于99%。所述透射主全息301具有的功能如下将某一级次的衍射光会聚到点衍射板4上的小孔中心，达到为点衍射干涉仪提供工作用光束的目的。·
所述透射主全息301根据菲涅耳(Fresnel)波带法来进行设计，设计和制作透射主全息301的具体过程如下依据从标准镜头2入射到透射主全息301处光束的形式、所使用的衍射级次和透射主全息301到点衍射板4距离等设计条件，将透射主全息301区域细分成许多同心小环带，相邻环带之间到点衍射板4上小孔中心的光程相差半个波长且各环带面积近似相等；使用微细加工技术将透射主全息301奇数环带域或偶数环带域进行刻槽和镀上增透膜，其中刻槽深度和膜层厚度根据实际情况可以选取不同的值。所述的反射对准全息302根据实际情况可选取位相型光栅或振幅型光栅，所谓振幅型光栅是指通过改变不同区域处光波面振幅来实现衍射干涉的光栅。反射对准全息302由多个相互类似的周期性结构组成。反射对准全息302根据实际情况可选取不同的光栅周期、占空比和刻槽位相深度。反射对准全息302根据实际情况可以分布于单个区域或多个区域。反射对准全息302区域要覆盖增反射膜。所述的基准全息303根据实际情况可选取位相型光栅或振幅型光栅。基准全息303由多个相互类似的周期性结构组成。基准全息303根据实际情况可选取不同的光栅周期、占空比和刻槽位相深度。基准全息303 —般由相互对称的两部分或多部分组成。基准全息303区域要覆盖增透射膜。所述反射对准全息302和基准全息303具有的功能如下反射对准全息302用于装调CGH3本身，基准全息303用于装调点衍射板4，它们用于装调系统部件的原理如下利用带有装调误差信息的检测波面和不带装调误差信息的参考波面进行干涉，通过调整部件的装调，使得干涉图达到最接近不带干涉环的图样，这时，部件装调正确；使用干涉图来描述装调误差的思想如下由格兰姆一施密特(Gram — Schmidt)正交化方法将检测波面与参考波面的差值进
N
行泽尼克(Zernike)多项式拟合,泽尼克(Zernike)多项式为,(Ρ，~) = Χα,·^；(Α^)
;=1 .
其中，ai为检测波面的泽尼克拟合系数；Zi(P，Θ)为泽尼克多项式，它采用极坐标表达，P为极坐标半径，Θ为极坐标角度，i=l，2，3……N (N为正整数)；；|>,石(A的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分别为2，3，4时，对应的泽尼克多项式分别为P cos ( Θ )，P Sin( Θ )，2 P 2_1，它们分别代表波面在X方向的倾斜、在y方向的倾斜和离焦；若元件的装调不存在误差，则干涉图的干涉条纹对比度为O ;若元件的装调存在倾斜或离焦误差，则相应的泽尼克(Zernike)多项式的第2，3，4项泽尼克系数不为0，由此干涉图也会呈现相应的不同，由这些携带装调误差的干涉图可以指导元件的装调。所述反射对准全息302具体的 设计、制作和使用方法如下如图3所示，对于所选取的衍射级次而言，球面波被反射对准全息302衍射和反射后按原路返回，形成反映CGH装调误差的检测波《aligmrent(p，Θ)，则光沿着该路线所行进的光程与光沿着光轴行进的光程之差决定了反射对准全息302的位相分布，即反射对准全息302位相分布的函数为Φ Cr) = -2 ·
；其中，OT (r)为入射到反射全息区域的光线走过的光程，OP为轴上光线走过的光程，r为反射对准全息302域上每点的半径位置；由式Φ (r) = -2 ·
可以计算出位相为整数倍半波长处的环线位置；在确定反射对准全息302区域位置之后，使用微细加工技术将反射对准全息302奇数环带域或偶数环带域进行刻槽和镀上增反射膜，其中刻槽深度和膜层厚度根据实际情况可以选取不同的值；利用参考波与反映CGH装调误差的检测波形成的干涉数据(p，θ) + ω alignment (P, Θ)实现对CGH本身的准确装调。所述基准全息303具体的设计、制作和使用方法如下如图4所示，对于所选级次的衍射光而言，波面被基准全息303衍射后会聚于点衍射板4的前薄膜平面上，依次被薄膜平面反射和被基准全息再次衍射后返回，形成反映点衍射板装调信息的检测波《fiduc;ial(p，Θ)，光沿着该路线所行进的光程与光沿着光轴行进的光程之差决定了基准全息303的位相分布，即基准全息303位相分布的函数为Φ (r)=-[OPHS(r)-OS]；其中，OPHS(r)为入射到基准全息区域的光线走过的光程，OS为轴上光线走过的光程，r为基准全息303域上每点的半径位置；由式φ (r) = -
可以计算出位相为整数倍半波长处的环线位置；在确定基准全息303区域位置之后，使用微细加工技术将基准全息303奇数环带域或偶数环带域进行刻槽和镀上增透射膜，透过率大于99%，其中刻槽深度和膜层厚度根据实际情况可以选取不同的值；为了检测波面能准确反馈点衍射板的装调信息，需要保证点衍射板4的前表面平整光滑；利用参考波与反映点衍射板4装调误差的检测波形成的干涉数据
O reference ( P，Θ ) + CO fiducial
(P，θ)实现对点衍射板的准确装调。所述的投射全息304根据实际情况可选取位相型光栅或振幅型光栅。投射全息304可以是多种结构形式的透射全息。投射全息304由多个相互类似的周期性结构组成。投射全息304根据实际情况可选取不同的光栅周期、占空比和刻槽位相深度。投射全息304将来自于点光源的光进行衍射，使得光线在CCD5上产生光斑标记。投射全息304根据实际情况可以分布于单个区域或多个区域。投射全息304区域要覆盖增透射膜。所述投射全息304具体的设计、制作和使用方法如下对于所选取级次的衍射光而言，波面被投射全息304衍射后会聚到CCD5光敏面上，形成投射标记；由于投射全息304呈对称分布,所以引入的标记中心处于光路光轴上，为投射全息304引入不同的二维相位分布，可以产生不同的投射标记，常见的标记有点标记和十字线标记；为了在(XD5上产生点标记，需要将投射全息304制作成菲涅耳(Fresnel)波带片，具体的方法如下 依据入射光束的形式、所使用的衍射光级次和投射全息304到(XD5光敏面距离，将投射全息304区域细分成许多同心小环带，相邻环带到孔中心的光程相差半个波长且各环带面积近似相等；在确定投射全息304区域位置之后，使用微细加工技术将投射全息304奇数环带域或偶数环带域进行刻槽和镀上增透射膜，其中刻槽深度和膜层厚度根据实际情况可以选取不同的值；为了在(XD5上产生十字线标记，投射全息304具体的设计方法如下为投射全息304的其中的两个区域分别引入两种二维相位分布，它
们的泽尼克(Zernike)表达式分别为-[ +- .sin20.Z6 和
—A + — * + a ■ cos .Θ ■ Z^i + ο. sin 2.Θ. Z6;其中，K为光程常量；Z4、Z5、Z6分别为第4、5、6项泽尼克(Zernike)多项式，它们分别代表离焦、X方向的一级象散、y方向的一级象散；a和Θ分别确定十字线的长度和方向；根据以上的位相分布函数对投射全息304进行相应的量化；在确定投射全息304区域位置之后，使用微细加工技术将投射全息304相应区域进行刻槽和镀上增透射膜，透过率大于99%，其中刻槽深度和膜层厚度根据实际情况可以选取不同的值；还可以使用投射全息304在CXD 5上产生其它形状的标记，具体的设计方法不再 列举；利用投射全息304产生标记，该标记和使用小孔成像等方法产生的标记重合，实现小孔中心定位。所述以上CGH 3元件的每个光栅部分都需要依次经过衬底清洗工序、涂抹抗腐蚀剂工序、曝光工序、刻蚀工序、抛光工序、分离工序和镀膜工序等工序流程。以上所述，仅为本发明的部分实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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。
权利要求
1.一种用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，其特征在于该元件包含了一个或多个功能区域，不同功能区域为不同的光栅结构，它们分别是透射主全息(301)、反射对准全息(302)、基准全息(303)和投射全息(304);所述透射主全息(301)是位相型光栅，而反射对准全息(302)、基准全息(303)、投射全息(304)选取位相型光栅或振幅型光栅，所谓位相型光栅是指通过直接改变光波面的位相来实现衍射和干涉的光栅，所谓振幅型光栅是指通过改变不同区域处光波面振幅来实现衍射和干涉的光栅。
2.根据权利要求I所述的用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，其特征在于所述计算机生成全息元件各区域均由结构呈周期性变化的一个或多个光栅组成；所述计算机生成全息元件(3)的各区域根据实际情况可选取不同的光栅周期、占空比和刻槽位相深度，所谓占空比是指刻槽宽度和条纹周期的比值，所谓刻槽位相深度是由刻槽引起的光线光程改变量，它与基片的折射率和刻槽几何深度相关；所述基准全息(303) —般由相互对称的两部分或多部分组成；所述透射主全息(301)、基准全息(303)和投射全息(304)三个区域的表面覆盖增透射膜，而反射对准全息(302)区域的表面覆盖增反射膜。
3.根据权利要求I所述的用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，其特征在于所述计算机生成全息元件(3)四个区域处的光栅被使用激光直写等手段刻蚀在基片的同一个表面上，该基片为融石英等具有合适折射率的透明材料；所述计算机生成全息元件(3)四个区域处的光栅之间预留有便于分次曝光的间隙区域；所述计算机生成全息元件(3)四个区域处的光栅面积大小和分布位置受各自使用的衍射级次和现阶段加工、检测水平的影响，四个区域处的光栅在保证检测干涉图观测对比度和小孔中心定位精度的基础上，根据实际情况可以选取不同的衍射级次，选取的光栅面积大小和分布位置需要保证光栅最小周期结构的尺寸能实现加工和检测，现阶段这个尺寸为微米量级。
4.根据权利要求I所述的用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，其特征在于所述透射主全息(301)将来自于点光源的光线进行衍射，衍射光会聚于小孔中心处，该衍射光是为了实现小孔衍射而输入的工作光束，该会聚点近似为理想艾里斑，艾里斑是指点状物体经过理想成像系统所成的像。
5.根据权利要求I所述的用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，其特征在于所述反射对准全息(302)将来自于点光源的光线进行反射和衍射，其中一个衍射级次的衍射光线按照原路返回，会聚于点光源处，返回的该衍射光和参考光进行干涉，用于实现CGH (3)元件本身的精确装调。
6.根据权利要求I所述的用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，其特征在于所述基准全息(303)将来自于点光源的光线进行衍射，其中一个级次的衍射光会聚于点衍射板的前薄膜平面上，依次被薄膜平面反射和被基准全息再次衍射后返回，会聚于点光源处，返回的该衍射光和参考光进行干涉，用于实现点衍射板(4)上小孔的精确装调。
7.根据权利要求I所述的用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，其特征在于所述投射全息(304)将来自于点光源的光进行衍射，使得光线在CCD (5)上产生光斑标记，该标记根据投射全息的结构形式不同可以是点标记、十字线标记或其它形状的光斑标记。
8.根据权利要求I所述的用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，其特征在于所述投射全息(304)产生的标记的对称中心、小孔中心以及点光源位于同一直线上。
全文摘要
本发明提供一种用于装调或检测光学元件的计算机生成全息元件，其包含了一个或多个功能区域，不同功能区域为不同的光栅结构，它们分别是透射主全息区域(301)、反射对准全息区域(302)、基准全息区域(303)和投射全息区域(304)。在进行装调或检测光学元件工作时，使用本发明的计算机生成全息元件具有精度高、操作方便等优点，适合于需要对某些系统进行定位、瞄准或导向的生产企业和科研单位使用。
文档编号G02B5/32GK102902192SQ20121037090
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者邓超, 冯婕, 邢廷文, 许嘉俊 申请人:中国科学院光电技术研究所