CN1845017A - 用控制装置稳定全息干涉条纹的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用控制装置稳定全息干涉条纹的方法及装置，外界的扰动常造成干涉条纹的随机漂移，从而使拍摄的全息光栅质量下降，利用线阵CCD采集干涉条纹图像信息并传送给控制装置，控制装置计算条纹漂移量，控制装置控制与反射镜连接在一起的压电陶瓷移动进行位相补偿，可使干涉条纹的漂移大大的减小，达到稳定曝光区域干涉条纹，曝光时间将允许大大延长。

Description

用控制装置稳定全息干涉条纹的方法及装置

                            技术领域

本发明主要涉及一种全息干涉条纹的稳定方法及装置，尤其涉及一种用控制装置稳定全息干涉条纹的方法及装置。

                            背景技术

在拍摄大尺寸的全息光栅时，由于拍摄光强较弱，需要长时间的曝光。但是外界的振动，空气的流动，温度的波动等因素都会使物光和参考光的相对相位发生变化，它们形成的干涉条纹会发生随机漂移，从而使记录条纹的对比度下降，一般认为条纹的漂移量应小于1/8波长，否则容易导致记录的全息干涉条纹质量降低，甚至无法记录下干涉条纹。目前的全息台均无法保证在长时间内干涉条纹的随机漂移小于1/8波长，因此对于长时间的曝光情况，还需要采取一些补偿措施来减弱干涉条纹的漂移。

现有技术中有采用含两个光强探测器的控制系统稳定全息干涉条纹的方法。该方法易受莫尔条纹粗细，探测器安放位置，光电器件本身的非线性，放大电路温度的漂移等影响，控制精度相对较差，长时间曝光可靠性不高，使用起来也不方便。

                                发明内容

本发明目的是提供一种用控制装置稳定全息干涉条纹的方法及装置。利用线阵CCD采集干涉条纹，由控制装置对干涉条纹的漂移的信息进行处理，并发出控制信号，控制压电陶瓷带动物光反射镜作改变物光光程的运动，达到稳定干涉条纹的目的。

本发明可以通过以下技术方案得以实施：

设计一种用控制装置稳定全息干涉条纹的方法，它包括以下步骤：

a、将激光通过分束镜分成物光和参考光，物光经物光反射镜、物光扩束系统后变为物宽光束，照射在主记录干版上；参考光经参考光反射镜、参考光扩束系统后变为参考宽光束，也照射在主记录干版上；物宽光束和参考宽光束相互干涉在主记录干版上形成干涉条纹；

b、将曝光过的参考干版取出，经显影，定影处理后形成参考光栅，再将参考光栅放置到原来放参考干版所在的位置；

c、重复步骤a，此时物宽光束与参考宽光束再次照射到步骤b后所得的参考光栅上，在参考光栅的后部区域接受到物宽光束的零级透射光与参考宽光束的一级衍射光形成的干涉条纹；

d、利用线阵CCD对在步骤c中形成的干涉条纹的图像信息进行采集，调节参考光栅的位置，使所述的线阵CCD能够采集到干涉条纹的图像信息，并将所述的图像信息传送到控制装置中，由控制装置计算干涉条纹的漂移量并与设定值进行比较，当干涉条纹的漂移量大于设定值时，控制装置发出控制信号，控制与物光反射镜连接在一起的压电陶瓷移动，使得物光反射镜作改变物光光程的运动，进行位相补偿，直至干涉条纹的漂移量小于等于设定值，从而使在主记录干版上形成的干涉条纹的漂移量满足全息光栅记录的要求。

所述的步骤d中由控制装置对由线阵CCD采集到的干涉条纹的漂移信息进行处理，处理方法是利用二次或高次曲线去拟合干涉条纹波谷部分的信息，获得条纹的漂移量；所述的设定值为干涉条纹的0～1/10周期。

所述的控制装置向压电陶瓷发出的控制信号为电压控制信号，所述的压电陶瓷的运动与所加电压的大小成正向关系。

本发明还可以通过以下技术方案得以进一步实施：

设计制造一种用控制装置稳定全息干涉条纹的装置，包括

分束镜，所述的分束镜用于将激光分束成物光和参考光；

物光反射镜，所述的物光反射镜位于物光的照射方向上，所述的物光反射镜用于反射物光；

物光扩束系统，所述的物光扩束系统位于反射后的物光的光路上，所述的物光扩束系统用于将反射后的物光扩束成物宽光束；

参考光反射镜，所述的参考光反射镜位于参考光的照射方向上，所述的参考光反射镜用于反射参考光；

参考光扩束系统，所述的参考光扩束系统位于反射后的参考光的光路上，所述的参考光扩束系统用于将反射后的参考光扩束成参考宽光束；

主记录干版，所述的主记录干版位于物宽光束和参考宽光束的干涉区域内；

参考光栅，所述的参考光栅也位于物宽光束和参考宽光束的干涉区域内，且与所述的主记录干版位于同一曝光区内，在所述的参考光栅的后部区域形成物宽光束的零级透射光与参考宽光束的一级衍射光，所述的零级透射光与一级衍射光在此形成的干涉条纹；

线阵CDD，所述的线阵CDD位于参考光栅的后部区域，所述的线阵CDD用于采集所述的干涉条纹的图像信息；

压电陶瓷，所述的压电陶瓷连接在物光反射镜上，所述的压电陶瓷带动物光反射镜移动用于调节物光的光程；

控制装置，所述的控制装置一端与线阵CCD相连，另一端与压电陶瓷相连接。所述的控制装置用于计算所述的干涉条纹的漂移量并与设定值进行比较，当干涉条纹的漂移量大于设定值时，所述的控制装置控制与物光反射镜连接在一起的压电陶瓷移动，使得物光反射镜作改变物光的光程的运动，直至干涉条纹的漂移量小于等于设定值，所述的设定值为干涉条纹的0～1/10周期。

本发明与现有技术相比有如下优点：利用线阵CCD采集干涉条纹，由控制装置对干涉条纹的漂移信息进行处理，所述的控制装置计算干涉条纹的漂移量并与设定值进行比较，当干涉条纹的漂移量大于设定值时，所述的控制装置控制与物光反射镜连接在一起的压电陶瓷移动，使得物光反射镜作改变物光的光程的位置移动，直至干涉条纹的漂移量小于等于设定值，达到相位补偿稳定干涉条纹的目的。与现有技术相比，采用此方法及装置可使干涉条纹的漂移大大的减小，曝光时间将允许大大延长。

                         附图说明

附图1为本发明的用于制造参考光栅时的光路示意图；

附图2为本发明的用于记录全息光栅的光路示意图；

附图3为本发明的干涉条纹稳定系统的控制流程图；

附图4为未采用本发明的干涉条纹光强分布图，其中X代表像素、Y代表光强；

附图5为未采用本发明的干涉条纹漂移量随曝光时间的变化图，其中P代表曝光时间；s代表时间单位—秒，Q代表条纹漂移量；

附图6不采用本发明时记录的全息光栅电镜图片；

附图7采用本发明时记录的全息光栅电镜图片。

其中：1、物光；2、参考光；3、物光反射镜；4、压电陶瓷；5、物光扩束系统；6、物宽光束；7、主记录干版；8、参考光反射镜；9、参考光扩束系统；10、参考宽光束；11、参考干版；12、参考光栅；13、干涉条纹；14、线阵CDD；15、控制装置；16、分束镜；17、一级衍射光；18、零级透射光。

                            具体实施方式

如图1，图2，图3所示一种用控制装置稳定全息干涉条纹的方法，它包括以下步骤：

a、将激光通过分束镜16分成物光1和参考光2，物光1经物光反射镜3、物光扩束系统5后变为物宽光束6，照射在主记录干版7上；参考光2经参考光反射镜8、参考光扩束系统9后变为参考宽光束10，也照射在主记录干版7上；物宽光束6和参考宽光束10相互干涉在主记录干版7上形成干涉条纹；

在与所述主记录干版7同一平面上还设有参考干版11，所述的物宽光束6与参考宽光束10也照射在参考干版11上，物宽光束6和参考宽光束10相互干涉也在参考干版11上形成干涉条纹；

b、将曝光过的参考干版11取出，经显影，定影处理后形成参考光栅12，再将参考光栅12放置到原来放参考干版11所在的位置；

c、重复步骤a，此时物宽光束6与参考宽光束10再次照射到步骤b后所得的参考光栅12上，在参考光栅12的后部区域接受到物宽光束6的零级透射光18与参考宽光束10的一级衍射光17形成的干涉条纹13；

利用线阵CCD 14对在步骤c中形成的干涉条纹13的图像信息进行采集，调节参考光栅12的位置，使所述的线阵CCD 14能够采集到干涉条纹13的图像信息，并将所述的图像信息传送到控制装置15中，由控制装置15计算干涉条纹13的漂移量并与设定值进行比较，当干涉条纹13的漂移量大于设定值时，控制装置15发出控制信号，控制与物光反射镜3连接在一起的压电陶瓷4移动，使得物光反射镜3作改变物光1光程的运动，进行位相补偿，直至干涉条纹13的漂移量小于等于设定值，从而使在主记录干版7上形成的干涉条纹的漂移量满足全息光栅记录的要求。

所述的步骤c中用物光1和参考光2照射到参考光栅12上时，在参考光栅12的后部区域可以接受到物光1的零级透射光18与参考光2的一级衍射光17将形成干涉条纹13，干涉条纹13的间距Λ为：

$\mathrm{\Λ}=\left|\frac{\mathrm{\λ}}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_O\right)-\sin \left({\mathrm{\θ}}_R^{\′}\right)}\right|$

式中λ为记录波长，θ_O为物宽光束6的入射角，θ_R′为参考宽光束10的一级衍射光出射角。参考光栅12准确复位时，θ_O＝θ_R′，干涉条纹13的间距无限大，线阵CCD 14不能够采集到干涉条纹13的图像信息。因此要调整参考光栅12的位置，使线阵CCD 14能够采集到干涉条纹13的图像信息。一般情况下是稍微移动一下参考光栅12，这时的一级衍射光17的出射角就会发生变化，可形成较粗的干涉条纹，例如干涉条纹的周期可调整为10mm。一般的线阵CCD单个像元的尺寸约为10um，这时利用线阵CCD采集此干涉条纹的光强分布是比较容易的。

所述的步骤d中由控制装置15对采集到的干涉条纹13的漂移信息进行处理，由CCD 14采集到的干涉条纹13的图像可知，干涉条纹13并非是一条完美的光滑的余弦曲线，曲线上有许多小的次峰，如图4所示，推荐选用最小二乘法对从CCD采集到的光强曲线进行二次或高次拟合，且仅拟合所述光强曲线的波谷部分，由拟合后的二次曲线方程，可以解得波谷的坐标，当干涉条纹13发生漂移时，其波谷的坐标会随之漂移，波谷坐标的变化量，完全代表了干涉条纹13的漂移量。

所述的控制装置15向压电陶瓷4发出的控制信号为电压控制信号，所述的压电陶瓷4的运动与所加电压的大小成正向关系，但并不是线性关系。仅根据干涉条纹13的漂移量乘以一定的系数来进行相位补偿，效果是不理想的。为了能够更加精确地控制干涉条纹的漂移，系统采用PID比例-积分-微分方法进行控制。比例控制用来减小稳态误差，提高系统的动态响应速度；积分控制用来消除系统的稳态误差；微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用，改善动态性能。控制器输出电压信号U(t_i)为：

$U\left(t_i\right)=U\left(t_{i-1}\right)+K_1\×X_i+K_2\×\frac{{\mathrm{dX}}_i}{\mathrm{dt}}$

式中K₁为比例系数，K₂为微分系数，X_i为t_i时刻条纹漂移量。

K₁的求解可由实验中移动一个条纹需要改变电压值来确定。K₂的求解确定相对困难，由于外界随机运动对干涉条纹13的影响比较复杂，要通过建立扰动变化的数学模型来求解比例系数是很困难的，可利用计算机编写自动优化程序来确定。例如，预先给K₂一个初始值，通过一段时间的曝光，对这一段时间内的采集到的全部条纹漂移量X_i求均方差σ_x：

${\mathrm{\σ}}_x=\sqrt{\frac{X_i^2}{n}}$

每隔一段时间改变一次K₂的数值，并分别计算它们均方差，均方差越小，说明K₂选择的越理想，最终可以获得比较理想的系数。

如图2所示，一种用控制装置稳定全息干涉条纹的装置，包括

分束镜16，所述的分束镜16用于将激光分束成物光1和参考光2；

物光反射镜3，所述的物光反射镜3位于物光1的照射方向上，所述的物光反射镜3用于反射物光1；

物光扩束系统5，所述的物光扩束系统5位于反射后的物光1的光路上，所述的物光扩束系统5用于将反射后的物光1扩束成物宽光束6；

参考光反射镜8，所述的参考光反射镜8位于参考光2的照射方向上，所述的参考光反射镜8用于反射参考光2；

参考光扩束系统9，所述的参考光扩束系统9位于反射后的参考光2的光路上，所述的参考光扩束系统9用于将反射后的参考光2扩束成参考宽光束10；

主记录干版7，所述的主记录干版7位于物宽光束6和参考宽光束10的干涉区域内；

参考光栅12，所述的参考光栅12也位于物宽光束6和参考宽光束10的干涉区域内，且与所述的主记录干版7位于同一曝光区内，在所述的参考光栅12的后部区域形成物宽光束6的零级透射光18与参考宽光束10的一级衍射光17，所述的零级透射光18与一级衍射光17在此形成的干涉条纹13；

线阵CDD 14，所述的线阵CDD 14位于参考光栅12的后部区域，所述的线阵CDD 14用于采集所述的干涉条纹13的图像信息；

压电陶瓷4，所述的压电陶瓷4连接在物光反射镜3上，所述的压电陶瓷4带动物光反射镜3移动用于调节物光1的光程；

控制装置15，所述的控制装置15一端与线阵CCD 14相连，另一端与压电陶瓷4相连接。所述的控制装置15用于计算所述的干涉条纹19的漂移量并与设定值进行比较，当干涉条纹19的漂移量大于设定值时，所述的控制装置15控制与物光反射镜3连接在一起的压电陶瓷4移动，使得物光反射镜3作改变物光1的光程的运动，直至干涉条纹19的漂移量小于等于设定值；所述的设定值为干涉条纹13的0～1/10周期。

为了验证全息干涉条纹稳定系统的使用效果，分别做两组实验进行对比，光栅的空频为14801p/mm，曝光时间为2000秒。第一组实验采用如图1所示的不使用本发明的干涉条纹稳定系统，记录的全息光栅电镜图片见图6，光刻胶掩膜高度很低，质量很差。第二组实验采用图2所示光路拍摄全息光栅本发明的干涉条纹稳定系统，记录的全息光栅电镜图片见图7，光刻胶掩膜高度很高，效果很好。对干涉条纹漂移量的数据分析表明，该系统使干涉条纹漂移均方差优于λ/60，如图5所示，图中干涉条纹的归化周期为100。

Claims (5)

1、一种用控制装置稳定全息干涉条纹的方法，它包括以下步骤：

a、将激光通过分束镜(16)分成物光(1)和参考光(2)，物光(1)经物光反射镜(3)、物光扩束系统(5)后变为物宽光束(6)，照射在主记录干版(7)上；参考光(2)经参考光反射镜(8)、参考光扩束系统(9)后变为参考宽光束(10)，也照射在主记录干版(7)上；物宽光束(6)和参考宽光束(10)相互干涉在主记录干版(7)上形成干涉条纹；

其特征在于：

在与所述主记录干版(7)同一平面上还设有参考干版(11)，所述的物宽光束(6)与参考宽光束(10)也照射在参考干版(11)上，物宽光束(6)和参考宽光束(10)相互干涉也在参考干版(11)上形成干涉条纹；

b、将曝光过的参考干版(11)取出，经显影，定影处理后形成参考光栅(12)，再将参考光栅(12)放置到原来放参考干版(11)所在的位置；

c、重复步骤a，此时物宽光束(6)与参考宽光束(10)再次照射到步骤b后所得的参考光栅(12)上，在参考光栅(12)的后部区域接受到物宽光束(6)的零级透射光(18)与参考宽光束(10)的一级衍射光(17)形成的干涉条纹(13)；

d、利用线阵CCD(14)对在步骤c中形成的干涉条纹(13)的图像信息进行采集，调节参考光栅(12)的位置，使所述的线阵CCD(14)能够采集到干涉条纹(13)的图像信息，并将所述的图像信息传送到控制装置(15)中，由控制装置(15)计算干涉条纹(13)的漂移量并与设定值进行比较，当干涉条纹(13)的漂移量大于设定值时，控制装置(15)发出控制信号，控制与物光反射镜(3)连接在一起的压电陶瓷(4)移动，使得物光反射镜(3)作改变物光(1)光程的运动，进行位相补偿，直至干涉条纹(13)的漂移量小于等于设定值，从而使在主记录干版(7)上形成的干涉条纹的漂移量满足全息光栅记录的要求。

2、根据权利要求1所述的用控制装置稳定全息干涉条纹的方法，其特征在于：所述的步骤d中由控制装置(15)对由线阵CCD(14)采集到的干涉条纹(13)的漂移信息进行处理，处理方法是利用二次或高次曲线去拟合干涉条纹(13)波谷部分的信息，获得条纹的漂移量；所述的设定值为干涉条纹(13)的0～1/10周期。

3、根据权利要求1所述的用控制装置稳定全息干涉条纹的方法，其特征在于：所述的控制装置(15)向压电陶瓷(4)发出的控制信号为电压控制信号，所述的压电陶瓷(4)的运动与所加电压的大小成正向关系。

4、一种用控制装置稳定全息干涉条纹的装置，其特征在于：包括

分束镜(16)，所述的分束镜(16)用于将激光分束成物光(1)和参考光(2)；物光反射镜(3)，所述的物光反射镜(3)位于物光(1)的照射方向上，所述的物光反射镜(3)用于反射物光(1)；

物光扩束系统(5)，所述的物光扩束系统(5)位于反射后的物光(1)的光路上，所述的物光扩束系统(5)用于将反射后的物光(1)扩束成物宽光束(6)；

参考光反射镜(8)，所述的参考光反射镜(8)位于参考光(2)的照射方向上，所述的参考光反射镜(8)用于反射参考光(2)；

参考光扩束系统(9)，所述的参考光扩束系统(9)位于反射后的参考光(2)的光路上，所述的参考光扩束系统(9)用于将反射后的参考光(2)扩束成参考宽光束(10)；

主记录干版(7)，所述的主记录干版(7)位于物宽光束(6)和参考宽光束(10)的干涉区域内；

参考光栅(12)，所述的参考光栅(12)也位于物宽光束(6)和参考宽光束(10)的干涉区域内，且与所述的主记录干版(7)位于同一曝光区内，在所述的参考光栅(12)的后部区域形成物宽光束(6)的零级透射光(18)与参考宽光束(10)的一级衍射光(17)，所述的零级透射光(18)与一级衍射光(17)在此形成的干涉条纹(13)；

线阵CDD(14)，所述的线阵CDD(14)位于参考光栅(12)的后部区域，所述的线阵CDD(14)用于采集所述的干涉条纹(13)的图像信息；

压电陶瓷(4)，所述的压电陶瓷(4)连接在物光反射镜(3)上，所述的压电陶瓷(4)带动物光反射镜(3)移动用于调节物光(1)的光程；

控制装置(15)，所述的控制装置(15)一端与线阵CCD(14)相连，另一端与压电陶瓷(4)相连接。所述的控制装置(15)用于计算所述的干涉条纹(19)的漂移量并与设定值进行比较，当干涉条纹(19)的漂移量大于设定值时，所述的控制装置(15)控制与物光反射镜(3)连接在一起的压电陶瓷(4)移动，使得物光反射镜(3)作改变物光(1)的光程的运动，直至干涉条纹(19)的漂移量小于等于设定值。

5、根据权利要求4所述的用控制装置稳定全息干涉条纹的装置，其特征在于：所述的设定值为干涉条纹(13)的0～1/10周期。

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