非球面檢驗(yàn)用計(jì)算全息的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究.pdf

1、非球面在光學(xué)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。高精度非球面測(cè)試決定了其加工技術(shù)的精度,對(duì)于非球面技術(shù)的發(fā)展十分重要。利用計(jì)算全息(Computer-generated Hologram,CGH)的零位補(bǔ)償干涉測(cè)試是一項(xiàng)公認(rèn)的高精度測(cè)試技術(shù)。近些年來,高空間刻線頻率CGH用于非球面高精度檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題----CGH設(shè)計(jì)以及加工尚處在探索階段。
　　 本文利用標(biāo)量衍射和矢量衍射理論,研究了影響CGH波面復(fù)現(xiàn)精度的因素;從全局優(yōu)化的角度

2、研究CGH的設(shè)計(jì)方法;結(jié)合現(xiàn)有條件,研究了熔融石英基底CGH加工工藝和精度驗(yàn)證等諸多技術(shù)問題;以90°錐角圓錐面為例,研究高密度CGH用于錐面的絕對(duì)面形恢復(fù)和錐角誤差測(cè)量方法。具體主要研究內(nèi)容包括：分別從標(biāo)量衍射理論模型及矢量衍射理論模型出發(fā),對(duì)CGH的簡單抽象即一維線性光柵模型展開了分析討論。在標(biāo)量模型下,研究了CGH各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)(橫向二維圖形位置、臺(tái)階深度、臺(tái)階占空比)與其各級(jí)次出射波面衍射效率及相位之間的關(guān)系。同時(shí),利用矢量分析軟

3、件對(duì)高頻光柵進(jìn)行分析,結(jié)果顯示出射波前TE、TM偏振之間存在的相位差,同時(shí)也為標(biāo)量衍射計(jì)算結(jié)果的校正提供了依據(jù)。針對(duì)CGH相位函數(shù)的全局優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,提出了逆向光線追跡求解法及正向光線追跡優(yōu)化法相結(jié)合全局尋優(yōu)設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了CGH相位函數(shù)的高精度快速求解。研究了抑制干擾信號(hào)的疊加載頻設(shè)計(jì)和兩種用于CGH定位裝調(diào)的方案,從仿真及實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面證明了方案的實(shí)用性。針對(duì)國內(nèi)缺乏利用現(xiàn)有設(shè)備在熔融石英基底上制作高密度CGH元件的成熟工藝問題,探索

4、研究了零位補(bǔ)償測(cè)試用的三類CGH(振幅型CGH、純相位型CGH及簡易相位型CGH)的工藝技術(shù)。針對(duì)直角坐標(biāo)系電子束直寫設(shè)備的特點(diǎn),提出了適用于同軸型CGH直寫工藝的經(jīng)濟(jì)編碼方案,實(shí)現(xiàn)了大幅縮小直寫工作耗時(shí)和抑制CGH出射波面相位誤差的目的。利用光束干涉掃描型(Scanning Beam Interference Lithography,SBIL)極坐標(biāo)系激光直寫系統(tǒng)(Circular Laser Writing System,CLWS)

5、,解決了高頻光柵CGH的加工難題。分別利用反應(yīng)離子刻蝕(Reaetive Ion Etch,RIE)及電感耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma Etch,ICP)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在熔融石英基底上制作純相位型CGH的工藝技術(shù)。為了驗(yàn)證CGH零位補(bǔ)償法的測(cè)試精度,以特殊二次非球面----拋物面為測(cè)試對(duì)象,用基于標(biāo)準(zhǔn)球面波的無像差點(diǎn)法測(cè)量結(jié)果,與CGH零位補(bǔ)償干涉法的結(jié)果比對(duì)。結(jié)果表明CGH波前重構(gòu)精度PV值優(yōu)于

6、λ/20、RMS值優(yōu)于λ/147。利用CGH的測(cè)試方案總體不確定度PV值優(yōu)于λ/15、RMS值優(yōu)于λ/113。通過與計(jì)量部門測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì),證明PV值偏離不超過λ/100。針對(duì)錐面三維面形高精度測(cè)量難題,研究了利用高頻CGH測(cè)試線性圓錐面面形中的系列關(guān)鍵技術(shù)。提出了錯(cuò)位四步法和雙邊螺旋路徑積分法(Spiral-path Direct Integration,SDI),實(shí)現(xiàn)了對(duì)待測(cè)錐面的高精度絕對(duì)面形恢復(fù)。同時(shí),基于錐面像差多項(xiàng)式,提出