CN102889856A - 一种基于cgh实现小孔中心定位的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于CGH实现小孔中心定位的装置及其方法，该装置主要包括：实验平台（5），干涉仪（6）、标准镜头（7）、空间滤波器（16）、CGH（8）、成像透镜（9）、CCD（10）和计算机（11），干涉仪（6）提供一束准直光，而标准镜头（7）、空间滤波器（16）、CGH（8）、点衍射板（4）、成像透镜（9）和CCD（10）依次位于该准直光的光路中，并且它们的旋转中心轴与准直光束中心轴重合；CCD（10）经过模－数转换之后和计算机（11）连接，计算机（11）中配置图像处理软件和图像处理算法。本发明具有精度高、无需加工定位标记的优点，适合于需要对小孔中心进行精确定位的生产企业、科研和检测单位使用。

Description

一种基于CGH实现小孔中心定位的装置及其方法

技术领域

本发明属于光学测试领域，涉及一种基于计算机生成全息（CGH，Computer GeneratedHologram）实现小孔中心定位的装置及其方法。

背景技术

带有小孔的点衍射板是点衍射干涉仪的重要组成部分。入射光会聚于小孔中心然后被小孔衍射，入射光会聚点与小孔中心的重合精确度直接影响衍射波的波形，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。

传统用于定位小孔中心的方法是光强探测法。该方法使用会聚光照射点衍射板上的小孔，利用四象限探测器探测经点衍射板后的透射光或反射光的光强，调整光轴和小孔中心的相对位置，对于透射光，光强最大时光束和小孔达到同轴；对于反射光，光强最小时光束和小孔达到同轴。如图1所示的就是一个利用探测器探测反射光强来定位小孔中心的装置，主要包括有四象限探测器1、分光棱镜2、聚光镜3和带有小孔的点衍射板4。光强探测法和其定位装置主要有两个方面的缺陷：一、该小孔中心定位装置中各个元件使用普通装调方法进行装调，装调后还存在空气间隙、偏心和倾斜等误差，这些装调误差会严重影响小孔中心定位的精度；二、照射到小孔的光会产生尖端散射、尖端衍射等杂散光，并且点衍射板表面也会产生杂散光，这些杂散光会严重影响光强探测精度。再加上探测器本身的灵敏度等因素影响，导致该方法对小孔中心的定位精度较低，不能满足点衍射干涉仪高精度检测的要求。

对于点衍射干涉仪，既需要保证高精度的小孔中心定位，又需要在定位的同时提供点衍射干涉仪的工作光束，本发明很好地解决了以上问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于CGH实现小孔中心定位的装置和方法。本发明采用特殊的装调方法提高小孔中心定位装置的装调精度，且无需加工任何定位标记，实现小孔高精度的中心定位并为点衍射干涉仪提供工作光束。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于CGH实现小孔中心定位的装置，包括：实验平台，第一调整机构，干涉仪，标准镜头，第二调整机构，空间滤波器，CGH，第三调整机构，点衍射板，第四调整机构，成像透镜，CCD和计算机，点衍射板带有小孔，该小孔是该装置的定位对象；所述干涉仪固定在第一调整机构上，第一调整机构可以调节干涉仪的俯仰，通过调节第一调整机构，保证从干涉仪出射的光束能水平传播；干涉仪提供一束准直光，标准镜头、空间滤波器、CGH、点衍射板、成像透镜和CCD依次位于该准直光的光路中，并且标准镜头、空间滤波器、CGH、点衍射板和成像透镜的旋转中心轴与准直光中心轴重合；所述第二调整机构、第三调整机构和第四调整机构为五维精密调整机构，第二调整机构、第三调整机构和第四调整机构分别调整标准镜头、CGH和点衍射板的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移；CCD接收的信号经过模—数转换之后和计算机连接，使用计算机的图像处理软件和图像处理算法能够确定CCD接收面上任意位置的光强。

所述干涉仪出射光为400nm—760nm的单色光，光束单色性好且与CCD的接收波段相匹配。

所述空间滤波器设置有可变光阑孔。

所述CGH上分布有透射主全息，它为点衍射干涉仪提供工作用光束。

所述CGH上分布有反射对准全息，它实现对CGH本身的正确装调。

所述CGH上分布有基准全息，它实现对点衍射板的正确装调。

所述CGH上分布有投射全息，光束通过它之后在CCD上生成一个标记，该标记中心与点衍射板的小孔衍射光斑中心重合。

为达到上述目的，本发明另外提供了一种用于小孔中心定位的方法，该方法通过如下步骤来实现：

步骤一、利用第一调整机构和第二调整机构正确装调好干涉仪和标准镜头；

步骤二、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；

步骤三、将空间滤波器正确装调于标准镜头之后的聚光点处；

步骤四、遮挡住CGH上除反射对准全息外的其它区域，利用反射对准全息实现对CGH本身的准确装调；

步骤五、将CCD垂直装调于CGH之后的正确位置处，遮挡住CGH上除投射全息外的其它区域，用CCD记录下投射全息投射标记的中心位置；

步骤六、遮挡住CGH上除基准全息外的其它区域，利用基准全息实现对点衍射板的准确装调，使得点衍射板处于垂直于光轴的装调状态；

步骤七、将成像透镜正确装调于点衍射板之后的适当位置处，取下标准镜头、空间滤波器和CGH，用干涉仪平行光垂直照射小孔，在CCD上得到小孔夫琅和费（Fraunhofer）衍射斑，调整第四调整机构使点衍射板在垂直于光轴的平面内移动，使得衍射斑中心和投射标记中心重合，实现点衍射板的完全装调；

步骤八、重复步骤一、步骤三和步骤四，在光路中重新装调好标准镜头、空间滤波器和CGH，取下成像透镜，遮挡住CGH上除透射主全息外的其它区域，此时由该区域提供的会聚光束即为点衍射干涉仪的工作光束。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明具有精度高、无需加工定位标记和对小孔定位的同时能提供点衍射干涉仪工作用光束等优点，适合于需要对小孔中心进行精确定位的生产企业、科研和检测单位使用。

附图说明

图1为传统的小孔中心定位装置示意图；

图2为本发明的装置示意图；

图3为实现本发明的CGH8示意图，图中包含：透射主全息801、反射对准全息802、基准全息803和投射全息804；

图4为实现本发明的透射主全息801工作原理图；

图5为实现本发明的反射对准全息802工作原理图；

图6为实现本发明的基准全息803工作原理图；

图7为实现本发明的投射全息804工作原理图；

图8为实现本发明的小孔衍射原理图。

具体实施方式

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。

如图2所示，实现本发明的装置包括安装在实验平台5上的干涉仪6、标准镜头7、空间滤波器16、CGH8、成像透镜9和CCD10。

所述以上所有单元都位于实验平台5之上的光路中，且它们的旋转中心轴与光束中心轴重合。所述标准镜头7经第二调整机构13固定在干涉仪6的光孔处，干涉仪出射的平行光经标准镜头7转换成球面波，该球面波部分能量被反射回干涉仪6作为参考波。所述CCD10经过模-数转换之后和计算机11连接，使用图像处理软件和图像处理算法可以确定CCD10接收面上任意位置的光强。

所述干涉仪6固定在第一调整机构12上，通过调节第一调整机构12，保证从干涉仪6出射的平行光束能水平传播。所述标准镜头7固定在第二调整机构13上；所述CGH8固定在第三调整机构14上；点衍射板4固定在第四调整机构15。第二调整机构13、第三调整机构14和第四调整机构15都采用目前公知的五维精密调整机构，它们分别精确地调整标准镜头7、CGH8和点衍射板4的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移。

从标准镜头7出射的会聚光束的数值孔径必须大于设计的CGH8的光束数值孔径，保证CGH8能被完全照射。

本发明装置中元件的装调误差信息由检测波面和参考波面的干涉图反映，描述装调误差的思想如下：

由格兰姆—施密特（Gram—Schmidt）正交化方法将检测波面与参考波面的差值进行泽尼克（Zernike）多项式拟合，泽尼克（Zernike）多项式为

其中，a_i为检测波面的泽尼克拟合系数；Z_i(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；

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ρcos(θ),ρsin(θ),2ρ²-1，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0；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。

如图3所示，实现本发明的CGH 8包含四部分功能区域，它们分别是：透射主全息801、反射对准全息802、基准全息803和投射全息804。

所述透射主全息801的设计思想和工作原理如下：如图4所示,使用菲涅耳（Fresnel）波带法设计透射主全息801，它的具体过程如下：依据入射光束形式、所使用的衍射光级次和透射主全息801到点衍射板4距离，将透射主全息801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，使用微细加工技术将奇数环带域或偶数环带域进行刻槽和镀上增透射膜。这样，所选用级次的衍射光就能会聚到孔的中心，达到了为点衍射干涉仪提供工作用光束的目的。

所述反射对准全息802的设计思想和工作原理如下：

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802衍射和反射后按原路返回，形成反映CGH装调误差的检测波ω_alignment(ρ,θ)，则光沿着该路线所行进的光程与光沿着光轴被反射对准全息802衍射和反射后行进的光程之差决定了反射对准全息802的位相分布，即反射对准全息802位相分布的函数为φ(r)＝-2·[OT(r)-OP]；

如图5所示，对于所选取的衍射级次而言，球面波被反射对准全息802衍射和反射后按原路返回，形成反映CGH装调误差的检测波ω_alignment(ρ,θ)，则光沿着该路线所行进的光程与光沿着光轴被反射对准全息802衍射和反射后行进的光程之差决定了反射对准全息802的位相分布，即反射对准全息802位相分布的函数为φ(r)＝-2·[OT(r)-OP]；

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802域上每点的半径位置；

由式φ(r)＝-2·[OT(r)-OP]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802区域位置之后，使用微细加工技术将奇数环带域或偶数环带域进行刻槽和镀上增反射膜，若选取的衍射光级次为m级，则刻槽使得位相变化

个波长；

利用参考波与反映CGH装调误差的检测波形成的干涉数据ω_reference(ρ,θ)+ω_alignment(ρ,θ)实现对CGH本身的准确装调。

所述基准全息803的设计思想和工作原理如下：

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。

如图6所示，对于所选取的衍射级次而言，球面波被基准全息803衍射到点衍射板4后被其前表面反射，反射波沿着与入射波对称的路线回到干涉仪形成反映点衍射板装调信息的检测波ω_fiducial(ρ,θ)，基准全息803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803域上每点的半径位置；

由式φ(r)＝-[OPHS(r)-OS]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803区域位置之后，使用微细加工技术将奇数环带域或偶数环带域进行刻槽和镀上增透射膜，若选取的衍射光级次为m级，则刻槽使得位相变化

个波长；

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ω_reference(ρ,θ)+ω_fiducial(ρ,θ)实现对点衍射板的准确装调，这时点衍射板4处于垂直于光路的装调状态。

所述投射全息804的设计思想和工作原理如下：

如图7所示，对于所选取的衍射级次而言，球面波被投射全息804衍射后会聚到CCD10光敏面上，形成投射标记；

由于投射全息804呈对称分布，所以引入的标记中心处于光路光轴中心线上，为投射全息804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CCD10上产生点标记，需要将投射全息804制作成菲涅耳（Fresnel）波带片，具体的方法如下：依据入射光束形式、所使用的衍射光级次和投射全息804到CCD10光敏面距离，将投射全息804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，使用微细加工技术将奇数环带域或偶数环带域进行刻槽和镀上增透射膜；

为了在CCD10上产生十字线标记，为投射全息804两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

和

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；

根据以上位相分布对投射全息804进行相应的量化及刻槽，可制作出用于产生十字线标记的投射全息804。

如图8所示，用平行光束垂直照射小孔并经成像透镜9成像，在成像透镜9的后焦面上将得到小孔的夫琅和费（Fraunhofer）衍射，其光强分布为

其中，a为小孔直径，k为波数θ为衍射角

（f为成像透镜后焦距），J1为一阶贝塞尔（Bessel）函数；

小孔衍射的光强分布为圆对称分布，其中心光强即为最大光强I₀，由衍射光强最大点和小孔中心点两点确定的直线为光轴中心线。

所述空间滤波器16用于滤除掉不需要的衍射光级次，它的直径选取2~3倍艾里斑直径。

所述干涉仪6提供的光束为波长400nm--760nm的单色光，光束单色性好且与CCD10的接收波段相匹配。

所述CCD10采用目前公知的探测器，具有像元尺寸小、探测误差小和灵敏度高等特点，CCD10接收面垂直安放于成像透镜后焦面，通过图像处理算法可以精确确定衍射光强最大点的位置和投射标记的中心位置。

所述小孔中心定位方法通过如下步骤来实现：

步骤一、利用第一调整机构12和第二调整机构13正确装调好干涉仪6和标准镜头7；

步骤二、利用标准镜头7将从干涉仪6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7最后一个表面反射回干涉仪作为参考球面波；

步骤三、将空间滤波器16正确装调于标准镜头7之后的聚光点处；

步骤四、遮挡住CGH8上除反射对准全息802外的其它区域，利用反射对准全息802实现对CGH8本身的准确装调；

步骤五、将CCD10垂直装调于CGH8之后的正确位置处，遮挡住CGH8上除投射全息804外的其它区域，用CCD10记录下投射全息804投射标记的中心位置；

步骤六、遮挡住CGH8上除基准全息外803的其它区域，利用基准全息803实现对点衍射板4的准确装调，使得点衍射板4处于垂直于光轴的装调状态；

步骤七、将成像透镜9正确装调于点衍射板4之后的适当位置处，取下标准镜头7、空间滤波器16和CGH8，用干涉仪平行光垂直照射小孔，在CCD10上得到小孔夫琅和费（Fraunhofer）衍射斑，调整第四调整机构15使点衍射板4在垂直于光轴的平面内移动，使得衍射斑中心和投射标记中心重合，实现点衍射板4的完全装调；

步骤八、重复步骤一、步骤三和步骤四，在光路中重新装调好标准镜头7、空间滤波器16和CGH8，取下成像透镜9，遮挡住CGH8上除透射主全息801外的其它区域，此时由该区域提供的会聚光束即为点衍射干涉仪的工作光束。

以上所述，仅为本发明用于为点衍射干涉仪进行小孔中心定位和提供工作光束的具体实施方式，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。

Claims (8)

1.一种基于CGH实现小孔中心定位的装置，其特征在于：该装置包括：实验平台（5）、第一调整机构（12）、干涉仪（6）、标准镜头（7）、第二调整机构（13）、空间滤波器（16）、CGH（8）、第三调整机构（14）、点衍射板（4）、第四调整机构（15）、成像透镜（9）、CCD（10）和计算机（11），点衍射板（4）带有小孔，该小孔是该装置的定位对象；所述干涉仪（6）固定在第一调整机构（12）上，第一调整机构（12）可以调节干涉仪（6）的俯仰，通过调节第一调整机构（12），保证从干涉仪（6）出射的光束能水平传播；干涉仪（6）提供一束准直光，标准镜头（7）、空间滤波器（16）、CGH（8）、点衍射板（4）、成像透镜（9）和CCD（10）依次位于该准直光的光路中，并且标准镜头（7）、空间滤波器（16）、CGH（8）、点衍射板（4）和成像透镜（9）的旋转中心轴与准直光中心轴重合；所述第二调整机构（13）、第三调整机构（14）和第四调整机构（15）为五维精密调整机构，第二调整机构（13）、第三调整机构（14）和第四调整机构（15）分别调整标准镜头（7）、CGH（8）和点衍射板（4）的俯仰、偏摆以及沿x方向、y方向和沿z方向的平移；CCD（10）接收的信号经过模—数转换之后和计算机（11）连接，使用计算机（11）的图像处理软件和图像处理算法能够确定CCD（10）接收面上任意位置的光强。

2.根据权利要求1所述的基于CGH实现小孔中心定位的装置，其特征在于：所述干涉仪（6）出射光为400nm--760nm的单色光，光束单色性好且与CCD（10）的接收波段相匹配。

3.根据权利要求1所述的基于CGH实现小孔中心定位的装置，其特征在于：所述空间滤波器（16）设置有可变光阑孔。

4.根据权利要求1所述的基于CGH实现小孔中心定位的装置，其特征在于：所述CGH（8）上分布有透射主全息（801），它为点衍射干涉仪提供工作用光束。

5.根据权利要求1所述的基于CGH实现小孔中心定位的装置，其特征在于：所述CGH（8）上分布有反射对准全息（802），它实现对CGH（8）本身的正确装调。

6.根据权利要求1所述的基于CGH实现小孔中心定位的装置，其特征在于：所述CGH（8）上分布有基准全息（803），它实现对点衍射板（4）的正确装调。

7.根据权利要求1所述的基于CGH实现小孔中心定位的装置，其特征在于：所述CGH（8）上分布有投射全息（804），光束通过它之后在CCD（10）上生成一个标记，该标记中心与点衍射板（4）的小孔衍射光斑中心重合。

8.一种用于小孔中心定位的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一、利用第一调整机构（12）和第二调整机构（13）正确装调好干涉仪（6）和标准镜头（7）；

步骤二、利用标准镜头（7）将从干涉仪（6）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（7）最后一个表面反射回干涉仪作为参考球面波；

步骤三、将空间滤波器（16）正确装调于标准镜头（7）之后的聚光点处；

步骤四、遮挡住CGH（8）上除反射对准全息（802）外的其它区域，利用反射对准全息（802）实现对CGH（8）本身的准确装调；

步骤五、将CCD（10）垂直装调于CGH（8）之后的正确位置处，遮挡住CGH（8）上除投射全息（804）外的其它区域，用CCD（10）记录下投射全息（804）投射标记的中心位置；

步骤六、遮挡住CGH（8）上除基准全息外（803）的其它区域，利用基准全息（803）实现对点衍射板（4）的准确装调，使得点衍射板（4）处于垂直于光轴的装调状态；

步骤七、将成像透镜（9）正确装调于点衍射板（4）之后的适当位置处，取下标准镜头（7）、空间滤波器（16）和CGH（8），用干涉仪平行光垂直照射小孔，在CCD（10）上得到小孔夫琅和费（Fraunhofer）衍射斑，调整第四调整机构（15）使点衍射板（4）在垂直于光轴的平面内移动，使得衍射斑中心和投射标记中心重合，实现点衍射板（4）的完全装调；

步骤八、重复步骤一、步骤三和步骤四，在光路中重新装调好标准镜头（7）、空间滤波器（16）和CGH（8），取下成像透镜（9），遮挡住CGH（8）上除透射主全息（801）外的其它区域，此时由该区域提供的会聚光束即为点衍射干涉仪的工作光束。

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