一种高线密度CGH制作精度的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术光学检测技术领域，提供了一种高线密度CGH制作精度的测量方法及系统，包括：获取理想的计算全息元件CGH的结构参数和制作的CGH的结构参数；建立CGH的理想结构模型和实测结构模型；对上述理想结构模型和实测结构进行坐标轴离散化，分解为单元网格，取衍射光学元件的近场物理场分布情况；基于惠更斯原理推算远距离传播后的远场波前分布，对所述制作的CGH因制作误差引起的远场波前误差进行拟合计算RMS数，以计算其制作精度。本申请提供的方法能够更加准确地分析制作误差对高线密度CGH的波前精度的影响及更加准确测量出不同参数CGH的制作精度，有利于推进实际工程应用当中高陡度、大偏离量非球面检测技术与加工技术的发展。展。展。

【技术实现步骤摘要】
一种高线密度CGH制作精度的测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及光学测量
，尤其涉及一种高线密度CGH制作精度的测量方法及系统。

技术介绍

[0002]非球面属于特殊表面，具有许多独特的性质。将非球面用于光学系统中，能够极大地增加光学设计优化自由度，能够有效地简化光学系统，同时提高系统成像质量。正是由于具有这些独特的优势，非球面越来越广泛地应用于各领域之中，如高品质相机、高精度光学测量仪器、大型天文望远系统等。随着光学精密加工技术的发展，特殊类型非球面的应用也越来越强烈，如用于红外侦察、预警相机中的大偏离量、高陡度的光学非球面。一般而言，非球面的偏离量大约为几十到几百微米，从目前发展趋势来看仍有继续加大的趋势。而这种高陡度、大偏离量的非球面进行亚纳米级高精度检测一直是光学检测领域的一大难题。
[0003]目前，一般采用计算全息法实现对非球面的高精度检测。即利用计算全息元件(Computer-Generated Hologram,CGH)将干涉仪发出的标准球面波转化为与非球面相匹配的理想非球面波前，从而实现零位检测，光路图如图1所示。计算全息法检测对高陡度、大偏离量非球面来讲是一种可行的检测方法。该应用目前存在一个需要突破的问题是在随着非球面陡度的增加，检测所需要的CGH的刻蚀浮雕结构的空间频率也会增加。在实际的加工过程中，当刻线密度高于700lp/mm对于加工而言就已经具有很高的加工难度了。随着刻线密度的增加，结构周期也会随之减小，尺寸越小的结构对引入的误差也越敏感。
[0004]因此，制作误差对高线密度的CGH的影响也是不可忽略的。对于高精度的检测技术而言，制作误差的存在会直接影响着波前的检测精度，那么高线密度CGH制作精度的准确测量对于高精度检测具有重要意义和价值。而目前测量CGH制作精度通常采用的方法是利用相同制作工艺制作一块CGH用以检测随机球，则默认采用该制作工艺制作的所有元件的制作精度均为该精度值。这种测量方法的问题在于忽略了在实际应用当中针对不同设计需求和设计参数所制作CGH的独特性，如非球面参数不同时，CGH的线密度不同，线宽不同，那么制作误差的影响也会不同，因此这种测量方法只能粗略地预估制作精度，无法解决CGH定制化的问题。除了上述问题外，在对高线密度CGH的制作误差的分析和测量中还存在这样的一个问题。通常，对CGH的误差分析是建立在标量衍射理论的线性光栅模型基础之上的，而随着CGH线密度的增加，结构周期可能达到与入射光波长相近或甚至小于波长的情况。由于标量衍射理论忽略了结构间的相互作用以及结构对入射光的偏振响应，在结构周期大约小于4λ时，标量衍射理论与严格的矢量衍射理论计算值会存在较大的偏差，因此标量衍射理论在高线密度CGH中的应用具有一定的局限性。
[0005]故有必要提出一种新的技术方案，以解决上述技术问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提出一种高线密度CGH制作精度的测量方法及系统，该方法解决
了由制作工艺技术水平有限引入的制作误差对高精度检测波前的影响，此外还解决了对高陡度、大偏离量的高线密度CGH标量衍射理论局限性的问题，提高了检测精度。该方法是基于严格的矢量衍射理论能够准确地分析制作误差所引入的波前偏差，同时能够根据不同实际应用情况下对不同CGH的制作精度进行准确的测量计算。
[0007]本专利技术实施例的第一方面提供了一种高线密度CGH制作精度的测量方法，所述测量方法包括：
[0008]获取理想的计算全息元件CGH的结构参数和制作的CGH的结构参数；
[0009]分别根据理想的CGH的结构参数和制作的CGH的结构参数建立等效光栅的理想结构模型和实测结构模型；
[0010]对上述理想结构模型和实测结构进行坐标轴离散化，分为单元网格，建立麦克斯韦方程组并求解，以获取等效光栅的理想结构模型和实测结构模型的近场物理场分布情况；
[0011]具体地，分别根据理想结构参数与实测的CGH制作参数构建理想结构模型和实测结构模型，对模型进行坐标轴离散化，分解为单元网格结构，入射光波的电场和磁场矢量在结构中传播过程满足麦克斯韦方程组，根据理想结构模型和实测结构模型不同的物理过程及满足的边界条件求解方程组的解，求解麦克斯韦方程组实际上是求电场矢量与结构相互作用后电场在空间中的分布即可获取衍射光栅结构模型的近场物理场分别情况。
[0012]基于惠更斯原理推算所述理想结构模型与实测结构模型的近场波面在远距离传播后的远场波前分布为：
[0013][0014]对实测模型的的远场分布与理想模型的远场分布之间的波前偏差进行拟合计算RMS值，以获取实际制作CGH的制作精度。
[0015]可选地，所述获取理想的计算全息元件CGH的结构参数和制作的CGH的结构参数，包括：
[0016]获取理想的计算全息元件CGH的高密度区域及CGH的最小结构尺寸；
[0017]制作所述CGH后，获取实际制作的CGH的结构参数。
[0018]可选地，所述实际制作的CGH的结构参数包括周期、线宽、占空比、刻蚀凹槽深度及结构侧壁角。
[0019]可选地，所述基于惠更斯原理推算所述理想结构模型与实测结构模型的近场波面在远距离传播后的远场波前分布，包括：
[0020]将所述近场物理场分布情况分解为：
[0021][0022]其中，a
x
,a
y
分别为x方向和y方向上的结构周期，为近场距离z0处xy平面的电场矢量分布，k
x
，k
y
分别为x方向和y方向上的方向矢量，m,n为整数，i为虚数；
[0023]令每一个次波作为波源向远距离空间自由传播，则等效光栅模型的近场波面在远
距离传播后的远场波前分布为：
[0024][0025]可选地，所述对上述理想结构模型和实测结构进行坐标轴离散化，分为单元网格，建立麦克斯韦方程组并求解，包括：
[0026]将所述理想结构模型和实测结构模型所在三维空间进行坐标轴离散化，分为单元网格；
[0027]离散化后可以将矢量方程化为六个标量方程：
[0028][0029][0030]通过差分近似方法对上式中的偏微分方程进行差分离散，将其在空间域和时间域离散后，结合边界条件及激励条件求得上述离散化麦克斯韦方程组的解(也即：电场和磁场在建立的模型结构中的传播过程满足麦克斯韦方程组，经坐标离散化，分解为单元网格结构，满足的矢量方程可以分解为这六个标量形式的方程组)。
[0031]可选地，所述近场物理场分布情况中包含有入射光波经过衍射光学元件调制后的振幅和相位信息。
[0032]可选地，在建立实测结构模型时，多次测量所制作的CGH的不同位置，选择满足预设条件的测量数据作为建立实测结构模型的输入。
[0033]本专利技术实施例的第二方面提供了一种高线密度CGH制作精度的测量系统，所述测量系统包括：
[0034]参数获取模块，用于获取理想的计算全息元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高线密度CGH制作精度的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：获取理想的计算全息元件CGH的结构参数和制作的CGH的结构参数；分别根据理想的CGH的结构参数和制作的CGH的结构参数建立等效光栅的理想结构模型和实测结构模型；对上述理想结构模型和实测结构进行坐标轴离散化，分为单元网格，建立麦克斯韦方程组并求解，以获取等效光栅的理想结构模型和实测结构模型的近场物理场分布情况；基于惠更斯原理推算所述理想结构模型与实测结构模型的近场波面在远距离传播后的远场波前分布为：对实测模型的的远场分布与理想模型的远场分布之间的波前偏差进行拟合计算RMS值，以获取实际制作CGH的制作精度。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述获取理想的计算全息元件CGH的结构参数和制作的CGH的结构参数，包括：获取理想的计算全息元件CGH的高密度区域及CGH的最小结构尺寸；制作所述CGH后，获取实际制作的CGH的结构参数。3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述实际制作的CGH的结构参数包括周期、线宽、占空比、刻蚀凹槽深度及结构侧壁角。4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述基于惠更斯原理推算所述理想结构模型与实测结构模型的近场波面在远距离传播后的远场波前分布，包括：将所述近场物理场分布情况分解为：其中，a
x
,a
y
分别为x方向和y方向上的结构周期；令每一个次波作为波源向远距离空间自由传播，则等效光栅模型的近场波面在远距离传播后的远场波前分布为：5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对上述理想结构模型和实测结构进行坐标轴离散化，分为单元网格，建立麦克斯韦方程组并求解，包括：将所述理想结构模型和实测结...

【专利技术属性】
技术研发人员：王若秋，白莹莹，张志宇，王旭，陈天宝，薛栋林，张学军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：