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数字全息术用于光学元件表面缺陷形貌测量

更新时间：2019-12-25 09:55:21 大小：2M 上传用户：zhiyao6 查看TA发布的资源 标签：数字全息术 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

利用像面数字全息显微术对光学元件表面缺陷的三维形貌测量进行了理论及实验研究。设计并搭建了相应光路系统记录全息图,采用角谱算法数值重建物光场,通过相位修正消除了系统误差引入的波前畸变,获得了经过待测光学元件表面缺陷调制的物光相位分布,并根据建立的相位分布与表面缺陷面形的关系模型计算得到缺陷三维形貌。实验以多个划痕和麻点等常见表面缺陷作为测量对象,分别获得了它们的三维形貌,以其中一条实际宽度为35μm、深度为270nm的划痕为例,测量得到该划痕的宽度为35.21μm,平均深度为267.6nm,与真实值相比,横向测量误差为0.6%,纵向测量误差为0.9%。实验结果证实该测量方法是有效、可靠的,能够准确测量光学元件表面缺陷的三维形貌,因而有助于判断光学元件损伤程度以及分析缺陷对系统波前的影响,对保障高功率激光装置的安全正常运行有重要意义。

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第

卷

第

期

３

光学精密工程

ꢀ

２５

ꢀ

Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．３

ꢀ

ꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀ

ꢀ ꢀꢀ ꢀꢀꢀ

ＯｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎ

ꢀ ｐ ꢀ ꢀ ꢀ ｇ

ｇ

年

月

ꢀ ꢀ

２０１７

３

Ｍａｒ．２０１７

ꢀ ꢀ

（）

１００４９２４Ｘ２０１７０３０５７６０８

－

文章编号

ꢀ

－

数字全息术用于光学元件表面缺陷形貌测量

＊

，

竹姜宏振

，

刘

，

旭陈

陈

波

ꢀ

（，

中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳

）

６２１９００

：。

摘要利用像面数字全息显微术对光学元件表面缺陷的三维形貌测量进行了理论及实验研究设计并搭建了相应光路

，，，

系统记录全息图采用角谱算法数值重建物光场通过相位修正消除了系统误差引入的波前畸变获得了经过待测光学

，。

元件表面缺陷调制的物光相位分布并根据建立的相位分布与表面缺陷面形的关系模型计算得到缺陷三维形貌实验

，

、

以多个划痕和麻点等常见表面缺陷作为测量对象分别获得了它们的三维形貌以其中一条实际宽度为深度为

３５ｍ

，

的划痕为例测量得到该划痕的宽度为

，

平均深度为

３５．２１ｍ

，，

与真实值相比横向测量误差为

２６７．６ｎｍ

，

０．６％

２７０ｎｍ

。

、，，

实验结果证实该测量方法是有效可靠的能够准确测量光学元件表面缺陷的三维形貌因而

纵向测量误差为

０．９％

，

有助于判断光学元件损伤程度以及分析缺陷对系统波前的影响对保障高功率激光装置的安全正常运行有重要意义

。

：；；；；

词数字全息显微术三维形貌测量光学元件表面缺陷相位修正

ꢀ

关

键

ꢀ

：

文献标识码

Ａ

：

／

中图分类号

Ｏ４３８．１

ꢀꢀ

ｄｏｉ１０．３７８８ＯＰＥ．２０１７２５０３．０５７６

ꢀꢀ

Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｏｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｓｕｓｉｎｄｉｉｔａｌｈｏｌｏｒａｈ

ꢀ

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＊

ＣＨＥＮＺｈｕＪＩＡＮＧＨｏｎｚｈｅｎＬＩＵＸｕＣＨＥＮＢｏ

ꢀ

，

ꢀ

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－

（

，，，

ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏＬａｓｅｒＦｕｓｉｏｎＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｏＥｎｉｎｅｅｒｉｎＰｈｓｉｃｓＭｉａｎａｎ６２１９００Ｃｈｉｎａ

ꢀ

）

ꢀ

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ｙｆ

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ｇ

ꢀ

ｙ

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，

ＣｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎａｕｔｈｏｒＥｍａｉｌｉａｎｈｚ２００３ｓｉｎａ．ｃｏｍ

＠

：

ｊ

＊

－

ｐ

ｇ

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ｇ

：

ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｏｎｏｔｉｃａｌ

ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ｐ

ꢀ

－

ꢀ

，

ｃｏｍｏｎｅｎｔｓａｎｏｖｅｌｍｅａｓｕｒｉｎｓｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｄｉｉｔａｌｉｍａｅｌａｎｅｈｏｌｏｒａｈｉｃｍｉｃｒｏｓｃｏ

ｇｙｇｐｐｙ

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ｇ

－

ｐ

ꢀ

（

）

ＤＩＰＨＭｗａｓｒｏｏｓｅｄａｎｄｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｄｅｓｉｎｅｄ．Ｔｈｅｏｔｉｃａｌａｔｈｏｆｔｈｅｓｓｔｅｍｗａｓｂｕｉｌｔｔｏ

ꢀｐｐ ꢀ ｐ ꢀｐ ꢀｐ ꢀ ꢀ ꢀｙ

ꢀ

ｙ

ꢀ

ｇ

ꢀ

，

ｒｅｃｏｒｄｄｉｉｔａｌｈｏｌｏｒａｍｓｗｈｉｃｈｃｏｍｒｉｓｅｄｈａｓｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｂｅｃｔｌｉｈｔ．Ｔｈｅｏｂｅｃｔｌｉｈｔ

ꢀ ｇ ꢀｐ ꢀ ꢀ ｊ ꢀ ｇ ꢀ ｊ ꢀ ｇ

ꢀ

ｇ

ꢀ

ｐ

ꢀ

，

ｗａｖｅｆｒｏｎｔｗａｓｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｔｈｅａｎｕｌａｒｓｅｃｔｒｕｍａｌｏｒｉｔｈｍａｎｄｔｈｅｗａｖｅｆｒｏｎｔｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ

ꢀ ｙ ꢀ ｇ ꢀ ｐ ꢀ ｇ

ꢀ

ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｔｈｅｓｓｔｅｍｅｒｒｏｒｓｗａｓｅｌｉｍｉｎａｔｅｄｖｉａｈａｓｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｈａｓｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ꢀ ꢀ ꢀｙ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀｐ ꢀ ꢀ ꢀｐ ꢀ

ꢀ

ｏｆｔｈｅｏｂｅｃｔｌｉｈｔｍｏｄｕｌａｔｅｄｂｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂｄｅｄｕｃｉｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉ

ꢀ ｊ ꢀ ｇ ꢀ ꢀｙ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ

ｐ

ꢀ

ｙ

ꢀ

ｇ

ꢀ

，

ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｂｅｃｔｌｉｈｔｗａｖｅｆｒｏｎｔａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｔｏｏｒａｈｔｈｅ３Ｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ

ꢀ ｊ ꢀｇ ꢀ ꢀ ｐｇｐｙ ꢀ ꢀ

ꢀ

，

ｄｅｆｅｃｔｓｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅｓｏｍｅｏｔｉｃｓｗｉｔｈｓｃｒａｔｃｈｅｓａｎｄｉｔｓｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄａｓｓａｍｌｅｓ．

ꢀｐ ꢀｐ ꢀ ꢀ ꢀ

ꢀ

ｐ

，

Ｆｏｒｏｎｅｓｃｒａｔｃｈｗｉｔｈｗｉｄｔｈｏｆ３５．００ｍａｎｄｄｅｔｈｏｆ２７０．０ｎｍｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅａｓ

ꢀ ꢀ ꢀ ｐ ꢀ ꢀ

ꢀ

ｇ

ꢀ

：

，

ｆｏｌｌｏｗｓｔｈｅｗｉｄｔｈｉｓ３５．２１ｍａｎｄｔｈｅｄｅｔｈｏｆ２６７．６ｎｍｔｈｅｒｅｂｔｈｅｔｒａｎｓｖｅｒｓｅａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｅｒｒｏｒｓ

ꢀ ꢀ ꢀ ｐ ꢀ ꢀ

ꢀ

ｙ

ꢀ

ａｒｅ０．６％ａｎｄ０．９％ｒｅｓｅｃｔｉｖｅｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｉｓｍｅａｓｕｒｉｎｍｅｔｈｏｄｃａｎｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅ

ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ

ꢀ

ｐ

ｙ

ꢀ

ｇ

ꢀ

，

３Ｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｏｎｏｔｉｃｓｆｅａｓｉｂｌａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｌ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｉｔｉｓｈｅｌｆｕｌｔｏ

ꢀ ꢀ ꢀ ꢀｐ ꢀ ꢀ ｐ ꢀ

ꢀ

ｙ

ꢀ

ｙ

ꢀ

，

ｕｄｅｔｈｅｄａｍａｅｄｅｒｅｅｏｆｔｈｅｏｔｉｃａｌｃｏｍｏｎｅｎｔａｎｄａｎａｌｓｉｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｔｈｕｓｏｆ

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ｐ

ꢀ

ｒｅａｔｓｉｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｌａｓｅｒｓｓｔｅｍｓｅｃｕｒｉｔｒｕｎｎｉｎ．

ꢀ ｇ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀｙ ꢀ

ｇｙｇ

ꢀ

：

Ｋｅｗｏｒｄｓｄｉｉｔａｌｈｏｌｏｒａｈｉｃｍｉｃｒｏｓｃｏ

ｇｐｐｙ

；

ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｔｉｃａｌ

－ ꢀ ꢀ

ｐ

ｇ

ꢀ

ｙ

ꢀ

；

ｃｏｍｏｎｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｅｃｔｓｈａｓｅｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ

ｐ

ꢀ

：

；

：

修订日期

２０１６１１１７．

收稿日期

２０１６０９２０

－－

ꢀꢀ

－

：

基金项目国家科技重大专项课题

（

）

Ｎｏ．２０１３ＸＸＸ

ꢀꢀ

，：

竹等数字全息术用于光学元件表面缺陷形貌测量

陈

第

期

３

ꢀꢀꢀꢀ

ꢀ

５７７

，

算机数值模拟全息图的衍射再现过程提取出物

，

场的振幅和相位信息实现物场的三维重构

。

数

引言

ꢀ ꢀ

１

，

字全息是一种非接触检测方法不会对光学元件造

，

由于加工工艺及运行环境的限制光学元件

；、

成损伤同时它还具有全场测量检测效率高的优

、。

多存在诸如划痕麻点等类型的表面缺陷在光

，

点所以能够实现光学元件表面缺陷的快速在线

［

］

１３１５

。

－

，

路系统中这些缺陷对光束造成不同程度的散射

，

检测

［

］

１２

。

－

，

破坏光场均匀性降低光束质量

尤其在高功

为实现光学元件表面缺陷微结构的三维形貌

，，

率激光装置中光束能量相当高若光束的近场均

，

测量本文提出了一种基于像面数字全息显微术的

，

匀性差进入终端光学系统后会对光学组件构成

。

测量方法通过修正相位获得了消除系统误差后

［

］

３４

。

－

，

极大的损伤风险危害系统的安全正常运行

，

重建物光场的相位分布然后建立相位分布与光学

，，

因此需要定量检测元件表面缺陷的形貌结构以

，

元件表面缺陷面形的关系模型并计算得到缺陷

便于准确判断光学元件的损伤程度以及分析缺陷

。

形貌

。

对系统波前的影响

、

常见的光学元件表面缺陷具有尺寸小分布

光学元件表面缺陷三维形貌的检

２

ꢀ

，

稀疏以及易被破坏的特点因此要求检测方法具

测原理

、。

有高分辨率高效以及无损等特点现有的检测

［

］

５６

，

－

，

方法如暗场成像法

，

虽然满足此要求但仅能

数字全息的记录与再现

２．１

ꢀ

，

测量缺陷的二维结构缺乏对纵向深度的检测能

（，）

与自同一激光器

ｙ

设波长为的物光

Ｏｘ

，，

力不能完整构建出缺陷的三维形貌因此难以准

（，）

ｙ

，

在一套离轴光路中干涉利

发出的参考光

Ｒｘ

、

确分析不同形态不同尺寸的缺陷对光场的影

，：

记录下干涉条纹条纹的强度分布为

用

ＣＣＤ

［

］

７８

。

－

响

常用的三维形貌结构检测仪有原子力显

２

（，）

Ｉｘ＝Ｒ＋Ｏ＝Ｒ＋Ｏ＋ＲＯ＋ＲＯ

＊

，

｜

｜｜｜｜

ｙ

［

９１０

）

］

－

（

ＡＦＭ

微镜

以及基于白光干涉法的光学轮

（）

１

。

ＡＦＭ

，

具有原子量级的分辨率但逐点

廓仪等

：；

式中前两项对应全息图衍射场中的级波后两

０

，

扫描的测量方式降低了其检测效率而且最大扫

，

级波代表原始物光波的

－１

项分别对应

级和

＋１

，

描距离仅有数十微米难以检测出缺陷的完整形

＊

（，）

和实像

Ｏｘ

ｙ

（，）

与参考光波的干涉

Ｏｘ

ｙ

虚像

［

］

１１１２

－

。

貌

白光干涉法

具有亚微米量级的横向和

。，

结果由于采用离轴全息物参光存在一定夹角

，

纳米量级的纵向分辨率但是在测量过程中需通

，

所以全息图经傅里叶变换得到的空间频谱图中

，

过多步机械移相来记录多帧图像繁琐的操作使

。

各干涉项的位置相互分离通过合适的空间滤波

，

其检测效率也较低不能满足光学元件表面缺陷

，

级频谱进而利用基于角谱衍

提取出所需的

－１

。

的快速检测需求

（

数字全息术采用数字图像传感器如

。

射理论的重构方法重建物光场假设再现距离为

、

ＣＣＤ

，

使用再现光波

ｄ

（，）

照射全息图在传播距

Ｃｘ

ｙ

，

）

相机代替传统光学全息中的记录干板

，

ＣＭＯＳ

，

处的衍射光场即再现物光场的复振幅分布

离

ｄ

数字记录携带物体信息的物光波与参考光波的干

（，）

可表示为

ｕｘ′ ′

ｙ

：

ｄ

，，

涉条纹从而记录物光波的复振幅信息再通过计

－１

ꢀ

２

，

ｙ

［

ꢀ

（

， ·

，］·

ｅｘ

ｐ

ꢀ

ｋｄ１－

ｊ ꢀ

ꢀ

，

（）

２

ｕｘ′ ′ ＝ＦＦＩｘＣｘ

ꢀ

（

ｄ

ｙ

）

ｙ

（

）

－

λｆ

）（

λｆ

ｘ

（

ｙ

）

｛

［

槡

］｝

－１

：

Ｆ

，

式中

和

分别表示二维正逆傅里叶变换

像面数字全息显微术的成像分辨率

２．２

ꢀ

Ｆ

成像分辨率是数字全息显微系统测量应用中

（，）

为频域坐标

ｆｘｆ

ｙ

。

，

的一个重要参数这里对预放大和无预放大两类

（，）

进

ｕｘ′ ′

ｙ

对数值化的再现像复振幅分布

ｄ

数字全息显微术以及像面数字全息显微术的成像

，

行分析可以分离出其相位信息

：

。

分辨率进行了对比分析通常预放大数字全息显

，

Ｉｍｕｘ′ ′

ｙ

ꢀ

［^ｄ（

）］

，

ｘ′ ′ ＝ａｒｃｔａｎ

ｙ

（）

．３

（

）

，

Ｒｅｕｘ′ ′

ｙ

｛

｝

）］

微系统在被测物体与记录器件之间加入显微物镜

ꢀ

［^ｄ（

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