CN103256889A

CN103256889A - 一种对衍射孔的定位装置和定位方法

Info

Publication number: CN103256889A
Application number: CN2013102199833A
Authority: CN
Inventors: 徐富超; 许嘉俊; 邢廷文
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-06-05
Also published as: CN103256889B

Abstract

本发明公开了一种对衍射孔的定位装置和定位方法，定位装置包括聚透镜、衍射板、探测器、计算机和调整机构，其中：在聚透镜和探测器之间放置衍射板，入射光束经过聚透镜后在衍射板上形成聚焦斑，若聚焦斑落在衍射板的可透光区域，则在探测器上形成衍射光斑；调整机构与衍射板连接，且衍射板安装在调整机构上，调整机构使衍射板在调整机构的坐标系X、Y、Z方向移动和绕Z轴旋转，调整聚焦斑大小实现对衍射孔的定位；计算机与探测器连接，计算机从探测器获取衍射光斑的光强信号，用于显示探测器上的光强分布信息。

Description

一种对衍射孔的定位装置和定位方法

技术领域

本发明属于光学测试领域，涉及一种在点衍射干涉仪中对衍射孔的定位装置和定位方法。

背景技术

点衍射干涉仪利用衍射板上的小孔衍射产生标准球面波，避免了标准球面的加工误差引入的检测误差，提高了检测精度。但在搭建检测平台上，入射光束的聚焦斑与衍射针孔中心存在对准误差时，将降低光强透过率，引入非对称性误差，降低检测精度。而在工程运用中，要将聚焦斑与2μm～3μm的针孔中心对准非常困难。

1997年，Kenneth A.Goldberg最早提出了利用干涉图像频域信息辅助装调的方法，随后对其进行了改进。其方法的基本原理为，当聚焦光束照射到衍射模板时，透射光场复振幅的自相关等于CCD面上光强分布的傅立叶变换。所以，将CCD上实时采集的光强做傅立叶变化得到频谱图，通过分析频率分布，就能推出入射光斑与衍射模板上透射窗口、针孔等特征结构的位置关系，从而辅助光斑与针孔中心的对准。

北京理工大学的刘克、李艳秋开发了一套计算机辅助装调方法，其理论基础也同样对点衍射干涉仪衍射板透射光强的空间频域特性分析。其调整步骤是先将光斑与针孔大致对准，再根据衍射光频谱的位置和清晰度作为判断标准进行精调，最后将条纹对比度达到最大值作为完全对准。

另外一种方法是分析衍射板的反射光强，当反射光强最小时，衍射针孔与聚焦斑对准。因此，可以通过探测器上的光强大小，辅助对准。

以上两种方法，需要将聚焦斑调整到衍射针孔区域，再根据频谱或光强信息辅助装调。也就是说，只有当聚焦斑定位到针孔附近，已经有针孔衍射产生，这两种方法才是有效的。但是在实际装调中，如何将衍射斑定位到直径为2～3μm的衍射孔附近，使得探测器能观察到衍射光强存在较大困难，相当费力耗时。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种对衍射孔位置的定位装置和定位方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种在对衍射孔的装置，包括聚透镜、衍射板、探测器、计算机和调整机构，其中：

在聚透镜和探测器之间放置衍射板，入射光束经过聚透镜后在衍射板上形成聚焦斑，若聚焦斑落在衍射板的可透光区域，则在探测器上形成衍射光斑；

调整机构与衍射板连接，且衍射板安装在调整机构上，调整机构使衍射板在调整机构的坐标系X、Y、Z方向移动和绕Z轴旋转，调整聚焦斑大小实现对衍射孔的定位；

计算机与探测器连接，计算机从探测器获取衍射光斑的光强信号，用于显示探测器上的光强分布信息。

为了实现上述目的，本发明还提出了一种使用所述装置对衍射孔定位的方法，对衍射孔定位的步骤如下：

步骤S1：粗调衍射孔的定位装置的光路，使得衍射板放在聚焦镜的焦点附近；

步骤S2：根据探测器上的光斑信息，对衍射板的位姿进行调整，确定定位条的位置；

步骤S3：在调整机构的X方向上移动衍射板，并根据探测器上的光斑信息，确定中心定位孔的位置；

步骤S4：根据探测器上的光斑信息，对衍射板的位姿进行调整，使探测器对准中心定位孔与聚焦斑；

步骤S5：在调整机构的X方向上移动衍射板，并根据探测器上的光斑信息，确定出衍射孔的位置；

步骤S6：根据探测器上的光斑信息，对衍射板的位姿进行调整，使探测器对准衍射孔与聚焦斑；

步骤S7：在调整机构的Z方向上移动衍射板，并根据探测器上的光斑信息，减小聚焦斑的尺寸，并使探测器对准衍射孔和聚焦斑。

本发明的优点在于，在衍射板上制作时，增加一条较长的定位条和两个较大的定位孔来辅助确定衍射孔的位置，然后再根据探测器上的光强分布，调整衍射板的位姿，从而快速确定出衍射板上衍射针孔的位置并对准。

附图说明：

图1为本发明的在点衍射干涉仪中对衍射孔位置的装置示意图；

图2为本发明中的衍射板示意图；

图3为本发明中的光路示意图；

图4a和图4b为本发明中的衍射光斑示意图；

图5为本发明中的衍射光斑示意图；

图6为本发明中的定位孔203与聚焦斑对准的示意图；

图7为本发明中的衍射孔202与聚焦斑对准的示意图；

图8为本发明中的衍射孔202与聚焦点对准示意图；

图9为本发明中的衍射孔202与聚焦点对准时的光路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1为本发明的在对衍射孔的定位装置的示意图，包含入射光束101、聚透镜102、衍射板103、探测器104、计算机105和调整机构106，其中：在聚透镜102和探测器104之间放置衍射板103，入射光束101经过聚透镜102后在衍射板103上形成聚焦斑301，若聚焦斑301落在衍射板103的可透光区域，则在探测器104上形成衍射光斑；调整机构106与衍射板103连接，且衍射板103安装在调整机构106上，调整机构106使衍射板103在调整机构106的坐标系X、Y、Z方向移动和绕Z轴旋转，调整聚焦斑301大小实现对衍射孔202的定位；计算机105与探测器104连接，计算机105从探测器104获取衍射光斑的光强信号，用于显示探测器104上的光强分布信息。

其中，在所述衍射板103上具有中心定位孔201、衍射孔202、定位孔203和定位条204，且中心定位孔201、衍射孔202、定位孔203和定位条204的中心在一条直线上，中心定位孔201位于衍射板103的中心点上，衍射孔202位于中心定位孔201和定位孔203之间，中心定位孔201位于定位条204和衍射孔202之间。

其中，在衍射板103的表面镀有反射膜，使具有反射膜表面除中心定位孔201、衍射孔202、定位孔203和定位条204的区域外不透光。

其中，中心定位孔201和定位孔203的孔径大于衍射孔202孔径。

其中，定位条204的长度大于中心定位孔201和定位孔203的孔径。

其中，中心定位孔201、定位孔203分别是圆形定位孔或矩形定位孔。

其中，衍射孔202是圆形衍射孔或矩形衍射孔。

其中，定位条204是凹矩形定位槽或是凹半圆形定位槽。

其中衍射板103为30mm×30mm的矩形，其结构示意图如图2所示，包含1个圆形中心定位孔201，其直径为20μm，其圆心在位于衍射板103的中心，1个圆形衍射孔202，其直径为2μm，其圆心距离衍射板103的中心为100μm，1个圆形定位孔203，其直径为20μm，圆心距离衍射板103中心200μm，1条定位条204，其为500μmX10μm的矩形，且三孔的中心在一条直线上，并与定位条204的方向一致。衍射板103的表面镀有反射膜，使其除3个小孔区域和定位条204区域外不透光，如图2中的黑色区域。衍射板103安装在调整机构106上，调节调整机构106可使衍射板103在X、Y、Z方向移动和绕Z轴旋转，其中XYZ坐标系为调整机构106的坐标系，如图2中坐标系所示。计算机105与探测器104相连，从探测器104获取光强信号，实现显示探测器104上的光强分布信息。

本发明的对衍射孔的方法，具体实施步骤如下：

步骤S1：搭建如图1所示的测量装置，粗调光路：调节调整机构106，使得衍射板103放在聚焦镜102的焦点附近，且让衍射板103与入射光束101的光轴垂直，其装置的光路示意图如图3所示，图中的XYZ坐标系为调整机构106的坐标系。图3中入射光束101经过聚透镜102后在衍射板103上形成聚焦斑301，若聚焦斑301落在衍射板103的可透光区域，则在探测器104上形成衍射光斑。在实际装调时，衍射板103的可透光区域相对衍射板103尺寸较小，一般不能正好落在可透光区域，需要逐步将聚焦斑301移动到可透光区域。

步骤S2：根据探测器104上的光斑信息，对衍射板103的位姿进行调整，确定定位条204的位置；调节调整机构106，让衍射板103在Y方向上下缓慢移动，从计算机105上观察探测器104的图像，当有看到衍射条纹时，停止Y方向的移动，表明已找到定位条204的位置。若Y方向移动后在探测器104上观察不到衍射条纹，则再调节调整机构106，让衍射板103先向X正方向移动后再在Y方向上移动，确定定位条204的位置。

步骤S3：在调整机构106的X方向上移动衍射板103，并根据探测器104上的光斑信息，确定中心定位孔201的位置；调节调整机构106，让衍射板103缓慢向X负向移动，直到探测器104上有中心定位孔201的圆形或椭圆形衍射斑，表明已经将聚焦斑301落于中心定位孔201区域内。

步骤S4：根据探测器104上的光斑信息，对衍射板103的位姿进行调整，使探测器104对准中心定位孔201和聚焦斑301；根据光线衍射传播理论，当聚焦斑301的中心与定位孔中心201对准时，探测器104上光斑为圆形衍射斑，如图4a所示；反之，当聚焦斑的中心与定位孔中心201对准时探测器104上光斑为椭圆衍射斑，如图4b所示。因此根据衍射斑的形状信息，调节调整机构106，让衍射板103在X方向和Y方向上缓慢移动，直到衍射斑为圆形为止，此时表明中心定位孔201与聚焦斑301已中心对准。

步骤S5：在调整机构106的X方向上移动衍射板103，并根据探测器104上的光斑信息，确定出衍射孔202的位置；由于安装问题，衍射板103的定位孔连线方向与调整机构106的X方向存在微小的夹角，如图5所示，通过直接调整机构106让衍射板103向X负方向移动，找衍射孔202的位置存在困难。因为在衍射孔202尺寸很小、聚集斑301较大，且两者的中心未对准的情况下，即使聚焦斑301落在衍射孔202区域内，到达探测器104的衍射光强太弱，探测器104探测不到衍射斑信息。因此，在确定出衍射孔202的位置时，需要逐步减小定位孔连线与调整机构106的X方向的夹角的具体步骤如下：

步骤S51：如图5所示，在调整机构106的X方向上移动衍射板103，并根据探测器104上的光斑信息，确定定位孔203的位置；调节调整机构106，使衍射板103向X负方向缓慢移动，直到聚焦斑301落在定位孔203区域内，探测器104上出现圆形或椭圆衍射斑时，停止移动。

步骤S52：如图6所示根据探测器104上的光斑信息，对衍射板103的位姿进行调整，对准定位孔203和聚焦斑301；调节调整机构106，使衍射板103绕Z轴旋转和在X方向正负移动，减小X方向与两定位孔连线的夹角，同时减小定位孔203的中心与聚焦斑中心在X方向的距离，直到探测器104上的衍射光斑变为圆形为止，此时定位孔的连线与调整机构106的X方向基本一致。

步骤S53：在调整机构106的X方向上移动衍射板103，并根据探测器104上的光斑信息，确定衍射孔202的位置，若未确定出衍射孔202的位置，则执行步骤S54；若确定出衍射孔202的位置，则对准衍射孔201与聚焦斑301；调节调整机构106，使衍射板103向X负方向缓慢移动，若在探测器104上发现衍射孔202的衍射斑，则停止移动，表明聚焦斑301已落在衍射孔202的区域内，转入S6对准衍射孔202与聚焦斑301；反之，则让衍射板103继续向X负方向缓慢移动，当发现中心定位孔201的衍射斑时，停止并继续下一步。判断探测器104上的衍射斑是否为衍射孔202衍射的方法：根据光线衍射传播理论，衍射孔202的尺寸相对中心定位孔201和定位孔203都小，所以它的衍射斑相对于中心定位孔201和定位孔202的衍射斑面积就更大，但光强较弱。

步骤S54：在调整机构106的Z方向上移动衍射板103减小聚焦斑301尺寸，并根据探测器104上的光斑信息对准中心定位孔201和聚焦斑301；调节调整机构106，使衍射板103向Z方向缓慢前后移动，从而减小衍射板103上聚焦斑301的尺寸。判断聚焦斑301大小的方法：聚焦斑301越小，探测器104上的衍射斑的光强就越强。然后再根据探测器104上的光斑信息，对准中心定位孔201与聚焦斑301。

步骤S55：减小定位孔的连线与调整机构106的X方向的夹角，确定衍射孔202的位置：重复步骤S51～步骤S53。

步骤S6：如图7所示根据探测器104上的光斑信息，对衍射板103的位姿进行调整，使探测器104对准衍射孔202与聚焦斑301；调节调整机构106，使得衍射板103在X方向和在Y方向上移动，直到探测器104上的衍射斑为圆形为止。

步骤S7：在调整机构106的Z方向上移动衍射板103，并根据探测器104上的光斑信息，减小聚焦斑的尺寸，并使探测器104对准衍射孔202和聚焦斑；如图8所示，其光路如图9所示，减小聚焦斑301的尺寸，并对准衍射孔202和聚焦斑301：调节调整机构106，使衍射板103在Z方向前后缓慢移动，观察探测器104上的衍射斑，直到衍射斑的光强最大为止，此时聚焦斑301汇聚为一点，衍射孔202和聚焦斑301的位置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内所作的变换或者替换都应涵盖在本发明所包含的范围内，因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种对衍射孔的定位装置，其特征在于：包括聚透镜、衍射板、探测器、计算机和调整机构，其中：

2.根据权利要求1所述对衍射孔的定位装置，其特征在于：在所述衍射板上具有中心定位孔、衍射孔、定位孔和定位条，且中心定位孔、衍射孔、定位孔和定位条的中心在一条直线上，中心定位孔位于衍射板的中心点上，衍射孔位于中心定位孔和定位孔之间，中心定位孔位于定位条和衍射孔之间。

3.根据权利要求1所述对衍射孔的定位装置，其特征在于：在衍射板的表面镀有反射膜，使具有反射膜表面除中心定位孔、衍射孔、定位孔和定位条的区域外不透光。

4.根据权利要求1所述对衍射孔的定位装置，其特征在于：中心定位孔和定位孔的孔径大于衍射孔孔径。

5.根据权利要求1所述对衍射孔的定位装置，其特征在于：定位条的长度大于中心定位孔和定位孔的孔径。

6.根据权利要求1所述对衍射孔的定位装置，其特征在于：中心定位孔、定位孔分别是圆形定位孔或矩形定位孔。

7.根据权利要求1所述对衍射孔的定位装置，其特征在于：衍射孔是圆形衍射孔或矩形衍射孔。

8.根据权利要求1所述对衍射孔的定位装置，其特征在于：定位条是凹矩形定位槽或是凹半圆形定位槽。

9.一种使用权利要求1所述对衍射孔的定位装置对衍射孔定位的方法如下：

10.根据权利要求9所述对衍射孔定位的方法，其特征在于：在确定出衍射孔的位置时，需要逐步减小定位孔连线与调整机构的X方向的夹角的步骤如下：

步骤S51：在调整机构的X方向上移动衍射板，并根据探测器上的光斑信息，确定定位孔的位置；

步骤S52：根据探测器上的光斑信息，对衍射板的位姿进行调整，对准定位孔和聚焦斑，从而使得定位孔的连线与调整机构的X方向一致；

步骤S53：在调整机构的X方向上移动衍射板，并根据探测器上的光斑信息，确定衍射孔的位置；若未确定出衍射孔的位置，则执行步骤S54；若确定出衍射孔的位置，则对准衍射孔与聚焦斑；

步骤S54：在调整机构的Z方向上移动衍射板减小聚焦斑尺寸，并根据探测器上的光斑信息对准中心定位孔和聚焦斑；

步骤S55：重复步骤S51～S53，减小定位孔的连线与调整机构的X方向的夹角。