基于多片计算全息图的凹非球面绝对检测技术研究

Absolute detection technology is the most direct and effective method to get the real surface shape of optical element. Nowadays, both flat and sphere can be measured absolutely, then it is very important that how to realize absolute test for aspheric surface. Computer Generated Hologram (CGH) is a good choice, but until now the error of CGH cannot be calibrated accurately. This research aims at concave aspheric surface, and we also choose CGH as compensation. Two CGHs will be designed, one is before the focus of transmission sphere (TS), and the other is after it. When the two CGHs work separately, both can measure the aspheric surface under test; on the other hand, when the two CGHs work together, the reference sphere can be detected by them. And then, combined with absolute test technology for sphere surface, the practical error of CGH for aspheric surface can be calibrated accurately, so that the aspheric surface is tested absolutely. Our research will propose an absolute calibration method for CGH error, and open up a new absolute measurement technology for concave aspheric surface. The results of the project will be demonstrated to provide an effective method to test concave aspheric surface absolutely and afford technical support for development of high-precision aspheric optical components. Meanwhile it has significant practical engineering significance.

绝对检测技术是获得光学元件真实面形的最直接、有效的手段。在平面和球面都已实现绝对检测的情况下，如何对非球面进行绝对检测显得尤为重要。计算全息图（CGH）检测非球面技术已经得到广泛应用，但CGH误差却无法得到准确地标定。针对非球面的绝对检测问题，以凹非球面为研究对象，选择CGH作为补偿元件，在球面标准镜头的焦前和焦后分别设计两片CGH，它们单独作用时分别能对被测非球面进行检测，共同作用时能对参考球面镜进行检测；再结合球面绝对检测技术，对CGH检测该被测非球面的实际误差进行绝对标定，从而实现非球面的绝对检测。项目预期将提出一种CGH误差的绝对标定方法，开辟一种新的凹非球面绝对检测技术，为纳米甚至亚纳米量级的非球面面形检测提供一种有效的检测手段。项目的研究成果将为高精密非球面光学元件的加工和检测提供技术保障，对深紫外和极紫外投影曝光系统的研制具有重要意义，具有显著的工程应用价值。

现代光学系统对光学元件的制造精度有着苛刻的要求，达到纳米甚至亚纳米量级。同时，非球面和自由曲面光学元件的使用也越加频繁。为了实现该类光学元件的超精密制造，相应的检测技术必不可少。计算全息图（CGH）干涉检测技术，以其强大的波前像差校正能力，能够实现对非球面，甚至自由曲面的零位干涉检测。同时，将检测系统中其他误差进行标定、去除，获得被测光学元件的绝对面形误差，是提高其检测精度的有效手段。. 本项目通过对焦前CGH和焦后CGH设计技术、检测系统高精度对准技术、数据处理技术、误差标定技术等主要内容的深入研究，得到了CGH的通用设计方法，对准方法的设计方法，绝对检测系统验证方法，从理论上验证了该绝对检测技术的正确性。通过在搭建的绝对检测平台上，对凹抛物面反射镜的焦前CGH检测系统、焦后CGH检测系统，以及两片CGH共同作用检测参考球面镜系统的设计、加工与实验，验证了该方法的正确性，但同时发现了在具体应用中容易出现的两个问题：1、其他衍射级次对检测光路的干扰分析与避免方法；2、检测系统各部分干涉光强的匹配和干涉条纹的对比度影响问题。通过再次深入的理论分析研究，对其他衍射级次干扰分析更加全面与透彻，提出了优化与改进方法，为具体的工程应用提供了解决方案。. 本项目通过对检测系统中各个误差的标定与去除（包括标准镜头误差、CGH误差），有效地提高了被测凹非球面光学元件的检测精度。该技术不仅适用于凹非球面光学元件面形的高精度检测，也可用于自由曲面光学元件的高精度检测，为我国高精度光学系统的研制提供了技术支撑。