專利名稱：消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學檢測領域，涉及一種消除圓對稱位相型計算全息基片(ComputerGenerated Hologram)條紋圖形畸變對非球面檢測結果影響的方法。
背景技術：
非球面元件因其可以降低光學系統(tǒng)的復雜性和改善系統(tǒng)成像質量，應用越來越廣泛，但是高精度的非球面面形檢測仍然是目前研究的熱點和難點。計算全息圖(Computer-generated hologram, CGH)常用來檢測非球面,該技術可通過衍射從球面波生成幾乎任何形狀的參考波前，這一特點使得它可結合激光干涉儀對非球面元件進行零位補償光學檢測，同時具有高效率和高精度的優(yōu)點。為了真正實現高精度檢測，必須仔細分析各種誤差對檢測結果的影響。用計算全息檢測非球面，所包含的誤差主要分為全息圖的設計誤差、被測鏡的調整誤差、全息圖的制作誤差及其對準誤差。采用精度高的算法，可以使全息圖的設計誤差忽略不計。被測鏡的調整誤差則可以通過設計基準全息，觀測實驗干涉圖將其控制在盡可能小的范圍內。設計對準全息，可以保證計算全息圖的精確對準。因此，全息圖的制作誤差是決定檢測精度的最關鍵因素。在計算全息圖的制作誤差中，條紋圖形畸變對檢測精度的影響是不容忽視的。條紋位置畸變誤差是由于掩膜版制作設備的定位誤差，制作出的掩膜版的實際條紋位置偏離理想位置引起的。為了減小或消除計算全息條紋圖形畸變對檢測精度的影響，首先需要精確檢測計算全息上條紋圖形畸變的大小。早期人們經常使用顯微光密度計測量條紋圖形畸變，這種方法測量過程非常耗時，而且它給出的畸變僅是沿著顯微光密度計掃描線方向的。為了解決顯微光密度計測量條紋圖形畸變的缺陷，1984年Akira Ono和James C.Wyant提出了一種干涉測量條紋圖形畸變的方法。該方法是利用兩根單模光纖發(fā)出的理想點光源產生楊氏干涉條紋和全息片上刻蝕的直條紋相互干涉形成的莫爾條紋來得到全息片上的條紋圖形畸變值，這種方法只能檢測直條紋，但是現階段使用的全息片上刻蝕的條紋多為圓對稱條紋。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于解決現有技術的局限性，提供一種消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變對非球面檢測結果影響的方法，從而有效地提高面形檢測精度。為達到上述目的，本發(fā)明一種消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變的方法，利用由放置在實驗平臺上的擴展光源、準直透鏡、泰曼-格林干涉儀、計算全息基片、電耦合器件、計算機組成的消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變系統(tǒng)，該方法包含以下步驟:步驟S1:從擴展光源發(fā)出的光經泰曼-格林干涉儀的參考臂和測試臂后發(fā)生等傾干涉，產生中心稀疏邊緣密集的等傾干涉圓條紋，用電耦合器件記錄會聚透鏡焦平面上產生的等傾干涉圓條紋；步驟S2:利用等傾干涉圓條紋形成圓光柵，將計算全息基片用不透明液體的處理形成一個圓對稱的二值振幅型光柵；步驟S3:設定圓對稱的二值振幅型光柵上刻蝕的同心圓條紋與圓光柵上的等傾干涉圓條紋形成莫爾條紋需滿足兩個條件:(I)重疊的圓光柵和圓對稱的二值振幅型光柵都為等間距的光柵；(2)圓光柵和圓對稱的二值振幅型光柵重疊域處間距相等；步驟S4:將不透明液體處理過的計算全息基片放置在產生等傾干涉圓條紋的會聚透鏡的焦平面上，使等傾干涉圓條紋與計算全息基片上的同心圓條紋發(fā)生干涉，形成一幅帶有條紋圖形畸變信息的莫爾條紋圖，計算機記錄帶有條紋圖形畸變信息的第一莫爾條紋圖；步驟S5:將根據待測非球面的參數設計出不含條紋圖形畸變的理想計算全息基片上的同心圓條紋和電耦合器件記錄的等傾干涉圓條紋相互干涉，生成不含條紋圖形畸變信息的莫爾條紋圖，用計算機記錄不含條紋圖形畸變信息的第二莫爾條紋圖；步驟S6:對第一莫爾條紋圖和第二莫爾條紋圖作差數據處理，得到條紋圖形畸變值；步驟S7:根據得到的條紋圖形畸變值人工合成畸變圖，將非球面面形測量得到的干涉圖和人工合成畸變圖作差數據處理后，就能準確地剔除掉計算全息基片上的條紋圖形畸變對非球面檢測結果的影響，實現非球面的高精度檢測。本發(fā)明的有益效果:由于莫爾條紋對畸變有放大作用，利用計算機強大的計算功能，從而更快捷地得到計算全息基片上的條紋圖形畸變的精確值，使用合成畸變圖剔除掉計算機全息基片上條紋圖形畸變對非球面檢測結果的影響，實現非球面的高精度檢測。本發(fā)明不但很好地解決了圓對稱位相型計算全息基片上條紋圖形畸變的測量問題，而且與傳統(tǒng)測量條紋圖形畸變的方法相比，精度更高，更快捷。在精確測量出全息基片上條紋圖形畸變的基礎上，使用波前誤差合成圖來消除條紋圖形畸變對檢測精度的影響。因此，有效地提高了非球面檢測精度。與現有技術相比，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)方法無法測量得到圓條紋圖形畸變的局限，而且本發(fā)明能更精確、快捷地測量出條紋圖形畸變。在精確測量出全息基片上條紋圖形畸變的基礎上，使用波前誤差合成圖來消除條紋圖形畸變對檢測精度的影響。因此本發(fā)明有助于提高檢測精度，實現非球面的高精度檢測，適用于對非球面面形進行高精度檢測的生產企業(yè)、科研院所和檢測計量單位使用。


圖1為泰曼-格林等傾干涉示意圖；圖2為設計的二臺階計算全息基片示意圖；圖3為圓對稱條紋圖形崎變檢測原理圖；圖4為圓對稱的二值振幅型光柵和圓光柵的參數示意圖；圖5為人工合成畸變示意圖。I為擴展光源，2為準直透鏡，3為分光板，4、5為反射鏡，6為會聚透鏡，7為計算全息基片，8為等傾干涉圓條紋，
9為電耦合器件，10為計算機，11為實驗平臺。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。如圖1示出泰曼-格林等傾干涉示意圖，所述泰曼-格林干涉含有分光板3、反射鏡4、5，會聚透鏡6,從擴展光源I發(fā)出的光為擴展光源I上任取三個光源點a、b、c中b光源點發(fā)出的光，經過準直透鏡2準直后到達分光板3，分光板3把光分出兩束，其中一束被分光板3反射后到達反射鏡4，被其反射后的光透過分光板3，經過會聚透鏡6，光被會聚在焦平面上；另一束光透過分光板3后被反射鏡5反射回，再經過分光板3的反射到達會聚透鏡6，在會聚透鏡6的焦平面上發(fā)生等傾干涉，形成中心稀疏邊緣密集的圓條紋。圖3所示，消除圓對稱位相型計算全息基片7的條紋圖形畸變的方法，利用由放置在實驗平臺11上的擴展光源1、準直透鏡2、泰曼-格林干涉儀、計算全息基片7、電耦合器件9、計算機10組成的消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變系統(tǒng)，包含以下步驟:步驟S1:從擴展光源I發(fā)出的光經泰曼-格林干涉儀的參考臂和測試臂后發(fā)生等傾干涉，產生中心稀疏邊緣密集的等傾干涉圓條紋8，用電耦合器件9記錄會聚透鏡6焦平面上產生的等傾干涉圓條紋8。步驟S2:利用等傾干涉圓條紋8形成圓光柵，將計算全息基片7用不透明液體處理形成一個圓對稱的二值振幅型光柵；由于加工出的計算全息基片7為二臺階全息元件，為了更好地產生莫爾條紋，需要將計算全息基片7變成一個圓對稱的二值振幅型光柵。其方法是在計算全息基片7刻槽位置充滿不透明的液體、(該不透明液體要好清洗，保證清洗后不影響計算全息基片7的使用)，該不透明液體使得計算全息基片7的刻槽位置不透光而計算全息基片7的其它位置完全透光，這樣，處理 過后的計算全息基片7就相當于一個圓對稱的二值振幅型光柵，如圖2示出設計的二臺階計算全息基片7示意圖。步驟S3:設定圓對稱的二值振幅型光柵上刻蝕的同心圓條紋與圓光柵上的等傾干涉圓條紋8形成莫爾條紋需要滿足兩個條件:(I)重疊的圓光柵和圓對稱的二值振幅型光柵都為等間距的光柵；(2)圓光柵和圓對稱的二值振幅型光柵重疊域處間距相等。所述圓對稱的二值振幅型光柵、圓光柵都為等間距的光柵，為了使得重疊域處圓對稱的二值振幅型光柵、圓光柵間距相等，必須先調整等傾干涉圓條紋8的間距；由于圓條紋間距隨半徑緩慢變化，因此，小局部域的光柵近似為等間距的光柵。等傾干涉形成的圓條紋為內稀外密的非等間距圓條紋，越接近等傾圓環(huán)中心，干涉條紋級數越高。如圖1所示，對于泰曼-格林干涉儀而言，有2.Δ I = m0 λ(I)Al為參考臂和測試臂的長度之差，由于空氣中折射率為1，所以省略了式子中的折射率因子。λ為擴展光源I的出射光波長，Hltl為最大的干涉級數，它不一定是整數，即中心處未必是最売點，故把IIlci與成m0 = Hi1+ ο(2)其中IH1是距中心最近的亮條紋的級數(整數)，0 < σ < I, σ為小于I的分數，因為Hltl為最大的干涉級數，它不一定是整數，因此可以把Hltl寫成整數部分和小數部分的加和形式。σ為最大干涉級數Hitl的小數部分，O < σ <1，
權利要求
1.一種消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變的方法，其特征在于，利用由放置在實驗平臺上的擴展光源、準直透鏡、泰曼-格林干涉儀、計算全息基片、電耦合器件、計算機組成的消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變系統(tǒng)，所述泰曼-格林干涉儀含有分光板、兩個反射鏡、會聚透鏡，該方法包含以下步驟: 步驟S1:從擴展光源發(fā)出的光經泰曼-格林干涉儀的參考臂和測試臂后發(fā)生等傾干涉，產生中心稀疏邊緣密集的等傾干涉圓條紋，用電耦合器件記錄會聚透鏡焦平面上產生的等傾干涉圓條紋； 步驟S2:利用等傾干涉圓條紋形成圓光柵，將計算全息基片用不透明液體處理形成一個圓對稱的二值振幅型光柵； 步驟S3:設定圓對稱的二值振幅型光柵上刻蝕的同心圓條紋與圓光柵上的等傾干涉圓條紋形成莫爾條紋需滿足兩個條件:(I)重疊的圓光柵和圓對稱的二值振幅型光柵都為等間距的光柵；(2)圓光柵和 圓對稱的二值振幅型光柵重疊域處間距相等； 步驟S4:將不透明液體處理過的計算全息基片放置在產生等傾干涉圓條紋的會聚透鏡的焦平面上，使等傾干涉圓條紋與計算全息基片上的同心圓條紋發(fā)生干涉，形成一幅帶有條紋圖形畸變信息的莫爾條紋圖，計算機記錄帶有條紋圖形畸變信息的第一莫爾條紋圖； 步驟S5:將根據待測非球面的參數設計出不含條紋圖形畸變的理想計算全息基片上的同心圓條紋和電耦合器件記錄的等傾干涉圓條紋相互干涉，生成不含條紋圖形畸變信息的莫爾條紋圖，用計算機記錄不含條紋圖形畸變信息的第二莫爾條紋圖； 步驟S6:對第一莫爾條紋圖和第二莫爾條紋圖作差數據處理，得到條紋圖形畸變值； 步驟S7:根據得到的條紋圖形畸變值人工合成畸變圖，將非球面面形測量得到的干涉圖和人工合成畸變圖作差數據處理后，就能準確地剔除掉計算全息基片上的條紋圖形畸變對非球面檢測結果的影響，實現非球面的高精度檢測。
2.如權利要求1所述的消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變的方法，其特征在于，調整等傾干涉圓條紋間距，使等傾干涉圓條紋和計算全息基片上的同心圓條紋重疊區(qū)域處間距相等，所述重疊區(qū)域滿足下式:..λ
3.如權利要求1所述的消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變的方法，控制計算全息基片上的同心圓條紋移動，而等傾干涉圓條紋不動，由于是圓對稱條紋，為了減小誤差，控制計算全息基片上的同心圓條紋只需控制它的圓心在平面內平動而不轉動，用于產生莫爾條紋的計算全息基片上的同心圓條紋的圓心坐標值X，y應滿足下式:r2+x2+y2-2rxcos Θ -2rysin Θ -r' 2 = O r為圓光柵內各點到其圓心的距離，Θ為圓光柵內各點與圓心的連線偏角。
4.如權利要求1所述的消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變的方法，所述圓對稱的二值振幅型光柵是在計算全息基片刻槽位置充滿不透明液體的情況下形成的，該不透明液體使計算全息基片的刻槽位置不透光而計算全息基片的其它位置完全透光，要求不透明液體好清洗，保證清洗后不影響計算全息基片的使用。
5.如權利要求1所述的消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變的方法，為了使得重疊域處圓對稱的二值振幅型光柵、圓光柵間距相等，必須先調整等傾干涉圓條紋間距；由于圓條紋間距隨半徑緩 慢變化，因此，小局部域的光柵近似為等間距的光柵。
全文摘要
本發(fā)明提供消除圓對稱位相型計算全息基片條紋圖形畸變的方法，從擴展光源發(fā)出的光經泰曼-格林干涉儀兩臂后發(fā)生等傾干涉，產生中心稀疏邊緣密集的等傾干涉圓條紋并用電耦合器件記錄，利用等傾干涉產生的同心圓條紋形成圓光柵，將計算全息基片用不透明液體處理形成圓對稱的二值振幅型光柵；設定圓對稱的二值振幅型光柵上刻蝕的同心圓條紋與圓光柵上的等傾干涉圓條紋形成莫爾條紋條件；利用計算機記錄帶有條紋圖形畸變信息的莫爾條紋圖和不帶有條紋圖形畸變的莫爾條紋圖，將兩幅莫爾條紋圖進行比較和數據處理，得到計算全息基片條紋圖形畸變值，使用人工合成畸變圖剔除掉計算全息基片條紋圖形畸變對非球面檢測結果的影響，實現非球面高精度檢測。
文檔編號G01B11/24GK103196390SQ20131012745
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權日2013年4月12日
發(fā)明者馮婕, 鄧超, 姚政鵬, 邢廷文 申請人:中國科學院光電技術研究所