光学应用｜计算全息之自由曲面检测

光学自由曲面主要指非旋转对称的曲面或者只能用参数向量来表示的曲面，但其却受到目前加工和检测技术的限制。光学自由曲面目前仍没有系统的、成熟的检测方法，大部分方法都是从非球面光学元件的检测方法扩展而来。

目前，国内检测传统三次面形的方法主要有接触式面形轮廓法、直接干涉法和计算全息法（ＣＧＨ）。

接触式面形轮廓法测量精度不高，易划伤工件表面；直接干涉法测量自由曲面，对面形的系数有一定的限制，不适宜对集成式的相位掩膜板进行检测；此外，三坐标测量机法[、轮廓仪法和相位恢复法[、相位测量偏折法，都可应用在光学自由曲面的测量中，但前两者为接触式测量，后两者测量精度有限。而使用计算全息法测量自由曲面面形，能够很好地对曲面面形引起的相位差进行补偿[2]。

按照衍射光的传播方式，计算全息图可以分为透射式计算全息图和反射式计算全息图；按照加工工艺的不同，计算全息图又可以分为相位型计算全息图和振幅型计算全息图。一般而言，相位型计算全息图具有较高的透过率，因此往往采用透射工作模式；而振幅型计算全息图则往往采用反射模式，如图，图中相位型 CGH 用于零位补偿，采用透射工作模式，而振幅型CGH用于辅助调节，采用反射工作模式[3]。

在非球面检测过程中，计算全息图可以灵活的衍射出任意形状的波前，相当于相位补偿器，来代替复杂的折射透镜组合。而其中的零位补偿测试法更是目前光学元件面形测量精度最高的方法，通过引入各种补偿器，如CGH、Offner补偿器等，对测件进行梯度补偿达到零位干涉测量的目的[。CGH 器件是一种二元光学衍射元件，可以生成任意形状的自由波前，使得其非常适合于光学自由曲面的零位干涉测量。

CGH 器件主要应用在小梯度变化的常规非球面的面形检测中，近年来也逐渐应用在一些小梯度变化的光学自由曲面的检测过程中；但当待补偿的自由曲面表面梯度变化很大的时候，CGH 面上需要补偿的空间相位空间频率很高，超出CGH 制作设备的加工范围，无法加工或者加工误差很大，无法应用在光学检测中。CGH 方法是一种一对一的检测方法，虽然测量通用性差，但在对面形要求较高的光学面形的检测中这种检测方式正体现了检测结果的可靠性[1]。

CGH 零位干涉检测方法中，采用将一离轴非球面元件通过在光路中的旋转平移并将其作为在轴光学自由曲面，在光学熔石英平面基底上设计制作相应的二元相位补偿器件对其进行零位干涉测量。

待测光学自由曲面放置在测试臂上，由斐索干涉仪出来的准直光束，经标准补偿参考透镜的末球面时一部分透过，一部分反射，反射光作为参考光，透射光透过相位型CGH，经CGH 调制后产生可补偿待测光学自由曲面的一级衍射光沿待测自由曲面的法向方向正入射，并经待测自由曲面反射，原路返回，作为测试光与参考光进行干涉，干涉图中携带了待测自由曲面的面形偏差信息，通过移相干涉术对参考光与测试光干涉得到的干涉图信息进行解读，即可得到待测自由曲面相对于由CGH 产生的理想自由曲面波前的面形偏差信息[1]。

在实验检测中，由干涉仪出射的平面波经过标准球面镜，形成汇聚光波，计算得出光波入射到ＣＧＨ的入射角度和出射角度，光波在经过ＣＧＨ的相位补偿后，可以生成与被检非球面波前相匹配的理想非球面波面，垂直入射到被检面上。然后经过反射，携带有待测面面形偏差信息的波面，将按照出射ＣＧＨ 的角度原路回到ＣＧＨ，最终按原路返回至干涉仪，由非球面反射的波前与由透镜反射面反射回来的参考波前经分束器反射后，然后由成像物镜成像到探测器ＣＣＤ上，并由干涉仪内部的光阑小孔滤掉其他几次的衍射光。[2]最终检测光波与干涉仪提供的参考波发生干涉，得到干涉条纹。

CGH 设计过程中，首先从待测光学自由曲面参数出发，通过分析待测件的参数，选择合适的前置标准球面镜头，减少CGH 器件承担的光焦度，从而降低CGH 的刻线空间频率，节约器件加工成本。如何选取前置标准球面镜头，需要根据待测自由曲面的最佳拟合球面及CGH 自身辅助装调敏感度是否能够满足测试系统中CGH 位置公差进行判断。

通过采用逆向光线追迹求解设计法，由待测自由曲面为出发点，在确定CGH 元件及待测件位置后，以局部法向入射为条件，逆向追迹CGH 面上离散点位置的相位值，从而得到在既定位置关系下CGH 局部相位的最优解。在这个过程中，其中一个重要参数就是CGH 所处的空间位置。当CGH 位于不同径向或轴向位置时，设计出的CGH 将具有不同的局部空间刻线频率分布，以及不同大小的有效口径。

CGH 位置的确定是整个CGH 设计中的关键之所在。设计时，需要结合三点要素综合优化考虑，即：1)CGH 装调敏感度；2)“ 鬼像”干扰；3) CGH 的加工能力。通过循环优化确定系统的结构参数，并由此计算CGH 的相位函数。在优化CGH 刻线空间频率的过程中，并不能只遵循“最低原则”，即并不是刻线空间频率越低越有利。在针对与球面仅有小量偏离的待测自由曲面检验系统设计中，过低的空间频率会造成CGH 多级衍射之间分离不够的问题[1]。

计算全息图是二元衍射光学元件，当光波入射到计算全息图上时，会衍射出多级衍射光，但我们只需要＋１级（或者－１级）衍射光，这就需要我们对不需要的衍射级次的衍射光波进行滤除。同时，由于自由曲面面形复杂，其测试精度同系统中各个器件的位置装调精度关系更为紧密，尤其是CGH的位置调整更为重要。在设计时，还可充分利用CGH 器件具有分区设计、编码、制作的特点，设计辅助对准区域，满足器件在光路中的定位、补偿精度要求

CGH元件对基底材料折射率均匀性、结石等影响波前透过质量的参数有相当高的要求。应用在光学计量领域，CGH 器件的基底材料常选择光学熔石英材料，具有较高的折射率均匀性和很低的温度系数。相位型CGH 全器件均为单一介质材料，如熔石英，通过微细加工设备及系列工艺组合加工成单台阶二元光栅结构，相比于振幅型CGH，其衍射效率更高，应用范围更广[2]。

CGH的传统加工方法是：先采用绘图仪、打印机等输出计算机绘制的原始的全息图案，然后通过光学缩版将其缩小到合适的尺寸记录到全息干版上，经过显影、定影得到全息图。此种制作方法过程环节较多，不可避免的引入了图形失真，并且一般的打印、绘图等输出设备和照相缩版设备的分辨率有限，严重制约了计算全息法检测非球面的精度。当前，随着刻蚀设备的发展，高精度的CGH 一般都采用激光直写或者电子束(或离子束)刻蚀的方法加工，基底一般选择面形和折射率均匀性较好的玻璃平板；此种方法的加工成本较高，但是可以达到很高的精度[3]。

以目前国际加工水平而言，全息刻蚀深度不均匀性能达到１％的误差水平，若占空比选取０．５，位相深度为π，可以计算出全息刻蚀深度不均匀性误差引入的波像差为１０ｎｍ。

计算全息法检测自由曲面，在很好地补偿初级像差和高级像差的基础上，减少了检测光路中的光学元件，使装调变得相对容易，同时可以利用计算全息图自身的特性，来补偿其由于制作而引起的误差，从而减少引入的系统误差。

参考文献

[1]黄亚,马骏,朱日宏,沈华,高志山.基于计算全息的光学自由曲面测量不确定度分析[J].光学学报,2015,35(11):164-172.

[2]周文彩,许峰,韦晓孝.计算全息图在自由曲面检测中的系统设计[J].光学与光电技术,2016,14(01):69-73.

[3]高松涛. 超高精度非球面面形检测技术研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2014.