子孔徑拼接干涉檢測中去傾斜處理技術(shù)

1、第16卷第7期強(qiáng)激光與粒子束Vol.16,No.72004年7月HIGH POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS Jul.,2004文章編號:100124322(20040720879204子孔徑拼接干涉檢測中去傾斜處理技術(shù)張蓉竹1,楊春林2,許喬2,蔡邦維1(1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院光電系,四川成都610064;2.成都精密光學(xué)工程研究中心,四川成都610041摘要:傾斜放置對大口徑光學(xué)元件的檢測有很大影響,為了防止在子孔徑拼接干涉檢測中傾斜所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失等嚴(yán)重后果,并且實(shí)現(xiàn)不同次檢測的結(jié)果可以相互比較,提出了一種軟件修正傾斜量的方法。通過對讀出的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行反向

2、傾斜來降低檢測中的元件傾斜程度,避免了實(shí)際檢測過程中手工操作無法達(dá)到極小角度修正的困難。通過實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性,實(shí)現(xiàn)了大口徑光學(xué)元件正確的子孔徑拼接檢測,完成了多次檢測結(jié)果之間的相互比較,結(jié)果表明,殘差平均值僅為0.12(=633nm 。關(guān)鍵詞:子孔徑拼接;去傾斜;光學(xué)檢測;殘差中圖分類號:TH741文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AICF 系統(tǒng)中大量的大口徑光學(xué)元件需要高精度的檢測手段來保證其加工精度,而干涉檢測方式具有很高的精度,因此干涉儀成為現(xiàn)代光學(xué)檢測中最主要的檢測工具。通常大口徑光學(xué)元件的檢測需要大口徑的干涉儀,而大口徑干涉儀價格通常十分昂貴,而且空間分辨率較低,不能完全滿足ICF 系統(tǒng)

3、檢測的需要。為此研究人員提出使用子孔徑拼接干涉檢測方法來進(jìn)行ICF 系統(tǒng)大口徑光學(xué)元件的檢測工作。在保證高精度的前提下,該方法可以大大減少檢測設(shè)備投資,同時使得小口徑的干涉儀具有更高的空間分辨率。在實(shí)際檢測過程中不可避免地會由于光學(xué)元件放置傾斜而產(chǎn)生的誤差,在子孔徑拼接檢測中這種傾斜量對檢測結(jié)果的影響遠(yuǎn)大于在單次檢測中的影響。本文探討了元件的傾斜量對檢測結(jié)果的影響,通過計(jì)算軟件進(jìn)行了去傾斜處理,得到了檢測結(jié)果。Fig.1Sketch map of the stitching interferometer 圖1子孔徑拼接檢測示意圖1子孔徑拼接檢測的基本原理子孔徑拼接干涉檢測的基本原理如圖1所示,

4、圖中W 1,W 2分別表示小口徑干涉儀在大口徑光學(xué)元件表面進(jìn)行兩次檢測的區(qū)域,每一個區(qū)域?qū)?yīng)的相位分布分別用W (x ,y 與W 0(x ,y 表示,它們之間有一定面積的重疊區(qū)域。從理論上說,重疊區(qū)域兩次檢測得到的相位分布應(yīng)該是一致的。但是在實(shí)際檢測過程中,由于干涉儀或被檢測元件的移動必然導(dǎo)致兩個子孔徑檢測得到的相位分布不在同一個平面上,而存在相對于x 軸和y 軸的旋轉(zhuǎn),以及垂直于樣品移動平面的位移,使得重疊區(qū)域經(jīng)兩次檢測的結(jié)果不相同,兩次檢測結(jié)果間的關(guān)系可以表示為1W (x ,y =c +ax +by +W 0(x ,y (1式中:x 和y 分別表示干涉儀中心的位置坐標(biāo);a 和b 分別表示相

5、對于x 軸和y 軸的傾斜因子;c 表示垂直于樣品移動方向的位相移動量。在平行于樣品的移動方向上也會存在一定的誤差,但可以利用精密定位裝置將其控制在干涉儀的空間分辨率以下24。利用最小二乘法對重疊區(qū)域的檢測結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化擬合,就可以得到兩個子孔徑檢測間的相對位移、旋轉(zhuǎn)參數(shù)5。因?yàn)槲粗坑?個,需要3個方程聯(lián)立求解,于是在重疊區(qū)域中任意選取3個不在同一條線上的3個點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算即可,具體的計(jì)算公式如下6x (x ,y y (x ,y (x ,y =x 2xy xxy y 2y x y n a b c (2收稿日期:2003207204;修訂日期:2003212223基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助課題(6

6、018004作者簡介:張蓉竹(1975,女,博士,主要從事精密光學(xué)檢測、光電子技術(shù)等方向的研究工作;E 2mail :zhang -rz 。式中:(x ,y 表示兩次檢測重疊區(qū)域中的相位分布差W (x ,y -W 0(x ,y ;表示對所有參加計(jì)算的點(diǎn)進(jìn)行求和;n 是計(jì)算使用到的檢測點(diǎn)數(shù)目。通過(2式計(jì)算,得到a ,b 和c 的值后,就得到了兩次檢測之間的各項(xiàng)位移誤差,從而可以將兩次檢測得Fig.2Basic structure for beam path of the stitching test圖2子孔徑拼接檢測實(shí)驗(yàn)光路到的相位分布統(tǒng)一到一個平面上,重復(fù)兩兩拼接過程,直至子孔徑完全覆蓋整個

7、大口徑元件7。2元件放置傾斜對檢測的影響子孔徑拼接檢測的基本光路結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于干涉儀經(jīng)過移動后有可能影響其內(nèi)部的光路準(zhǔn)直系統(tǒng),這對保證檢測精度極為不利,因此拼接檢測一般采用元件移動的方式,即被檢測元件沿x 和y 方向移動,直至干涉儀檢測區(qū)域覆蓋整個光學(xué)元件表面。在檢測過程中,光學(xué)元件的放置很難保證與光路垂直,總是存在一些傾斜,如圖中虛線所示。在全孔徑單次檢測中,也存在同樣的不可避免的傾斜放置的情況。盡管傾斜的角度很小,但對檢測結(jié)果的影響是比較大的8,使用同一個干涉儀對同一個元件進(jìn)行多次檢測,得到的結(jié)果都是不相同的。(如圖3所示,這對元件的質(zhì)量評價及進(jìn)一步加工很不利,因?yàn)槎啻螜z測結(jié)果之間不

8、能進(jìn)行相互比較 。Fig.3Different testing results of the same com ponent from different testing process圖3ZYG O 干涉儀對同一工件的兩次測量結(jié)果Fig.4Phase disrinbution of 4sub 2aperture test results圖4待拼接的4個子孔徑檢測結(jié)果Fig.5S titching result without anti 2tilting 圖5未作去傾斜處理得到的拼接結(jié)果對于子孔徑拼接檢測,傾斜的影響更為嚴(yán)重,因?yàn)槿讖綑z測還可以通過多次檢測平均得到一個較為理想的結(jié)果,而拼接會

9、對傾斜量產(chǎn)生疊加,使得檢測結(jié)果誤差增大甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,如圖4,5所示,因此必須對傾斜量加以處理。圖4是使用100mm 的小孔徑干涉儀檢測一個155mm 100mm 所得到的4個子孔徑檢測結(jié)果。圖5是以圖4中(a 子孔徑為基準(zhǔn)進(jìn)行拼接后得到的拼接結(jié)果,從圖中可以看出,因?yàn)樽鳛槠唇踊鶞?zhǔn)的子孔徑傾斜量比較大,所以導(dǎo)致每一次拼接向一個方向不斷傾斜,最終由于相位值過小,超出了軟件的數(shù)據(jù)范圍,使得拼接結(jié)果的數(shù)據(jù)丟失。088強(qiáng)激光與粒子束第16卷3去傾斜處理由于傾斜量在檢測過程中很難通過實(shí)際操作消除,所以使用軟件處理是一個好方案。該方案不但處理精度高,而且可以與每次檢測后的數(shù)據(jù)處理同時進(jìn)行,效率高。子孔徑

10、拼接檢測的去傾斜處理防止最終拼接結(jié)果數(shù)據(jù)的丟失(如圖5所示,所丟失的數(shù)據(jù)是不可恢復(fù)的,并且實(shí)現(xiàn)不同次檢測間結(jié)果的相互比較。使用軟件進(jìn)行去傾斜處理方法主要就是通過對讀出的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行反向傾斜來降低檢測中的元件傾斜程度。具體做法就是在數(shù)據(jù)軟件中設(shè)定一個(0,0點(diǎn),并以這一點(diǎn)為原點(diǎn)進(jìn)行繞x 方向或y 方向旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)量的大小可以根據(jù)系統(tǒng)自行設(shè)計(jì),本文中每一次旋轉(zhuǎn)角度最小達(dá)到了710-9rad ,這個量級的修正是不可能通過手動進(jìn)行的。因?yàn)榈谝粋€子孔徑傾斜量過大導(dǎo)致拼接不成功,所以將其反向傾斜一定的角度,然后重新拼接,這樣就避免了數(shù)據(jù)丟失,得到了一個完整的大口徑檢測相位分布結(jié)果,如圖6所示 。另外子孔徑拼

11、接還存在一個復(fù)雜的問題,即選取不同的拼接基準(zhǔn)孔徑可能得到不同的拼接結(jié)果,圖7是選擇圖4中子孔徑(d 作為基準(zhǔn)拼接的結(jié)果。比較圖7與圖6,發(fā)現(xiàn)兩次拼接的結(jié)果相差甚大,這與全孔徑檢測中遇到的困難相似,為了對不同次的測量結(jié)果相比較,可以將兩個圖像統(tǒng)一到一個平面上。選取檢測結(jié)果中沒有明顯傾斜的一個,或者將P 2V 值最小的一個平面作為標(biāo)準(zhǔn)面,將其它檢測結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)平面進(jìn)行校正就可以實(shí)現(xiàn)不同次檢測之間的有效比較。旋轉(zhuǎn)量的大小根據(jù)最小二乘法來擬合5,實(shí)際上與拼接原理相同,只不過這時不是對圖像間的重疊部分進(jìn)行擬合,而是針對整個圖像進(jìn)行。在此以圖7為標(biāo)準(zhǔn),圖6的數(shù)據(jù)經(jīng)過公式(2與圖7的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到的結(jié)果如

12、圖8所示 。從圖8可以看出,經(jīng)過去傾斜處理后,兩次檢測得到的結(jié)果得到了統(tǒng)一。為了定量說明這種軟件去除傾斜量方式的可靠性,可以比較圖8與圖7間的殘差,殘差分布結(jié)果如圖9所示,殘差平均值僅為0.12(=633nm 。這種方法同樣適用于全孔徑檢測,通過對全孔徑檢測結(jié)果的去傾斜處理,就可以實(shí)現(xiàn)不同次檢測結(jié)果的相互比較,從而真正實(shí)現(xiàn)元件加工前、后的表面情況的比較。4結(jié)論對子孔徑拼接干涉檢測中傾斜量的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析,指出在子孔徑拼接檢測過程中必須進(jìn)行去傾斜處理。由于傾斜量不可避免,且通過手工操作無法實(shí)現(xiàn),提出使用軟件修正的方法,即通過對讀出的圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行反向傾斜來降低檢測中的元件傾斜程度。從而利用計(jì)

13、算機(jī)處理的高精密性實(shí)現(xiàn)小角度傾斜的操作。通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了子孔徑拼接檢測,并對去傾斜的具體方法和結(jié)果進(jìn)行了說明。經(jīng)過計(jì)算得到:去傾斜后結(jié)果比較188第7期張蓉竹等:子孔徑拼接干涉檢測中去傾斜處理技術(shù)288強(qiáng)激光與粒子束第16卷的殘差平均值僅為0.12(=633nm,表明使用軟件進(jìn)行傾斜修正是很有效的。參考文獻(xiàn):1張蓉竹,楊春林,石琦凱,等.子孔徑拼接干涉檢測及其精度分析J.光學(xué)學(xué)報(bào),2003,23(10:12411244.(Zhang R Z,Y ang C L,Shi Q K,etal.Principle and accuracy of the stitching interferometerJ

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18、I Bang2wei1(1.Optoelectronics Department,Sichuan Univer sity,Chengdu610064,China;2.Research Center o f Chengdu Fine Optical Engineering,P.O.Box450,Chengdu610041,ChinaAbstract:In the test process of the large aperture components the in fluence of the tilting of the components is very serious.S pecially,in the sub2aperture stitching process the tilting of the components may cause the missing of the data.T