專利名稱：用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種全息干涉條紋的穩(wěn)定方法及裝置，尤其涉及一種用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的方法及裝置。
背景技術(shù)：
在拍攝大尺寸的全息光柵時，由于拍攝光強較弱，需要長時間的曝光。但是外界的振動，空氣的流動，溫度的波動等因素都會使物光和參考光的相對相位發(fā)生變化，它們形成的干涉條紋會發(fā)生隨機漂移，從而使記錄條紋的對比度下降，一般認為條紋的漂移量應(yīng)小于1/8波長，否則容易導致記錄的全息干涉條紋質(zhì)量降低，甚至無法記錄下干涉條紋。目前的全息臺均無法保證在長時間內(nèi)干涉條紋的隨機漂移小于1/8波長，因此對于長時間的曝光情況，還需要采取一些補償措施來減弱干涉條紋的漂移。
現(xiàn)有技術(shù)中有采用含兩個光強探測器的控制系統(tǒng)穩(wěn)定全息干涉條紋的方法。該方法易受莫爾條紋粗細，探測器安放位置，光電器件本身的非線性，放大電路溫度的漂移等影響，控制精度相對較差，長時間曝光可靠性不高，使用起來也不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的方法及裝置。利用線陣CCD采集干涉條紋，由控制裝置對干涉條紋的漂移的信息進行處理，并發(fā)出控制信號，控制壓電陶瓷帶動物光反射鏡作改變物光光程的運動，達到穩(wěn)定干涉條紋的目的。
本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案得以實施設(shè)計一種用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的方法，它包括以下步驟a、將激光通過分束鏡分成物光和參考光，物光經(jīng)物光反射鏡、物光擴束系統(tǒng)后變?yōu)槲飳捁馐?，照射在主記錄干版上；參考光?jīng)參考光反射鏡、參考光擴束系統(tǒng)后變?yōu)閰⒖紝捁馐?，也照射在主記錄干版上；物寬光束和參考寬光束相互干涉在主記錄干版上形成干涉條紋；b、將曝光過的參考干版取出，經(jīng)顯影，定影處理后形成參考光柵，再將參考光柵放置到原來放參考干版所在的位置；c、重復步驟a，此時物寬光束與參考寬光束再次照射到步驟b后所得的參考光柵上，在參考光柵的后部區(qū)域接受到物寬光束的零級透射光與參考寬光束的一級衍射光形成的干涉條紋；
d、利用線陣CCD對在步驟c中形成的干涉條紋的圖像信息進行采集，調(diào)節(jié)參考光柵的位置，使所述的線陣CCD能夠采集到干涉條紋的圖像信息，并將所述的圖像信息傳送到控制裝置中，由控制裝置計算干涉條紋的漂移量并與設(shè)定值進行比較，當干涉條紋的漂移量大于設(shè)定值時，控制裝置發(fā)出控制信號，控制與物光反射鏡連接在一起的壓電陶瓷移動，使得物光反射鏡作改變物光光程的運動，進行位相補償，直至干涉條紋的漂移量小于等于設(shè)定值，從而使在主記錄干版上形成的干涉條紋的漂移量滿足全息光柵記錄的要求。
所述的步驟d中由控制裝置對由線陣CCD采集到的干涉條紋的漂移信息進行處理，處理方法是利用二次或高次曲線去擬合干涉條紋波谷部分的信息，獲得條紋的漂移量；所述的設(shè)定值為干涉條紋的0～1/10周期。
所述的控制裝置向壓電陶瓷發(fā)出的控制信號為電壓控制信號，所述的壓電陶瓷的運動與所加電壓的大小成正向關(guān)系。
本發(fā)明還可以通過以下技術(shù)方案得以進一步實施設(shè)計制造一種用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的裝置，包括分束鏡，所述的分束鏡用于將激光分束成物光和參考光；物光反射鏡，所述的物光反射鏡位于物光的照射方向上，所述的物光反射鏡用于反射物光；物光擴束系統(tǒng)，所述的物光擴束系統(tǒng)位于反射后的物光的光路上，所述的物光擴束系統(tǒng)用于將反射后的物光擴束成物寬光束；參考光反射鏡，所述的參考光反射鏡位于參考光的照射方向上，所述的參考光反射鏡用于反射參考光；參考光擴束系統(tǒng)，所述的參考光擴束系統(tǒng)位于反射后的參考光的光路上，所述的參考光擴束系統(tǒng)用于將反射后的參考光擴束成參考寬光束；主記錄干版，所述的主記錄干版位于物寬光束和參考寬光束的干涉區(qū)域內(nèi)；參考光柵，所述的參考光柵也位于物寬光束和參考寬光束的干涉區(qū)域內(nèi)，且與所述的主記錄干版位于同一曝光區(qū)內(nèi)，在所述的參考光柵的后部區(qū)域形成物寬光束的零級透射光與參考寬光束的一級衍射光，所述的零級透射光與一級衍射光在此形成的干涉條紋；線陣CDD，所述的線陣CDD位于參考光柵的后部區(qū)域，所述的線陣CDD用于采集所述的干涉條紋的圖像信息；壓電陶瓷，所述的壓電陶瓷連接在物光反射鏡上，所述的壓電陶瓷帶動物光反射鏡移動用于調(diào)節(jié)物光的光程；控制裝置，所述的控制裝置一端與線陣CCD相連，另一端與壓電陶瓷相連接。所述的控制裝置用于計算所述的干涉條紋的漂移量并與設(shè)定值進行比較，當干涉條紋的漂移量大于設(shè)定值時，所述的控制裝置控制與物光反射鏡連接在一起的壓電陶瓷移動，使得物光反射鏡作改變物光的光程的運動，直至干涉條紋的漂移量小于等于設(shè)定值，所述的設(shè)定值為干涉條紋的0～1/10周期。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點利用線陣CCD采集干涉條紋，由控制裝置對干涉條紋的漂移信息進行處理，所述的控制裝置計算干涉條紋的漂移量并與設(shè)定值進行比較，當干涉條紋的漂移量大于設(shè)定值時，所述的控制裝置控制與物光反射鏡連接在一起的壓電陶瓷移動，使得物光反射鏡作改變物光的光程的位置移動，直至干涉條紋的漂移量小于等于設(shè)定值，達到相位補償穩(wěn)定干涉條紋的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用此方法及裝置可使干涉條紋的漂移大大的減小，曝光時間將允許大大延長。


附圖1為本發(fā)明的用于制造參考光柵時的光路示意圖；附圖2為本發(fā)明的用于記錄全息光柵的光路示意圖；附圖3為本發(fā)明的干涉條紋穩(wěn)定系統(tǒng)的控制流程圖；附圖4為未采用本發(fā)明的干涉條紋光強分布圖，其中X代表像素、Y代表光強；附圖5為未采用本發(fā)明的干涉條紋漂移量隨曝光時間的變化圖，其中P代表曝光時間；s代表時間單位—秒，Q代表條紋漂移量；附圖6不采用本發(fā)明時記錄的全息光柵電鏡圖片；附圖7采用本發(fā)明時記錄的全息光柵電鏡圖片。
其中1、物光；2、參考光；3、物光反射鏡；4、壓電陶瓷；5、物光擴束系統(tǒng)；6、物寬光束；7、主記錄干版；8、參考光反射鏡；9、參考光擴束系統(tǒng)；10、參考寬光束；11、參考干版；12、參考光柵；13、干涉條紋；14、線陣CDD；15、控制裝置；16、分束鏡；17、一級衍射光；18、零級透射光。
具體實施例方式
如圖1，圖2，圖3所示一種用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的方法，它包括以下步驟a、將激光通過分束鏡16分成物光1和參考光2，物光1經(jīng)物光反射鏡3、物光擴束系統(tǒng)5后變?yōu)槲飳捁馐?，照射在主記錄干版7上；參考光2經(jīng)參考光反射鏡8、參考光擴束系統(tǒng)9后變?yōu)閰⒖紝捁馐?0，也照射在主記錄干版7上；物寬光束6和參考寬光束10相互干涉在主記錄干版7上形成干涉條紋；在與所述主記錄干版7同一平面上還設(shè)有參考干版11，所述的物寬光束6與參考寬光束10也照射在參考干版11上，物寬光束6和參考寬光束10相互干涉也在參考干版11上形成干涉條紋；b、將曝光過的參考干版11取出，經(jīng)顯影，定影處理后形成參考光柵12，再將參考光柵12放置到原來放參考干版11所在的位置；c、重復步驟a，此時物寬光束6與參考寬光束10再次照射到步驟b后所得的參考光柵12上，在參考光柵12的后部區(qū)域接受到物寬光束6的零級透射光18與參考寬光束10的一級衍射光17形成的干涉條紋13；利用線陣CCD 14對在步驟c中形成的干涉條紋13的圖像信息進行采集，調(diào)節(jié)參考光柵12的位置，使所述的線陣CCD 14能夠采集到干涉條紋13的圖像信息，并將所述的圖像信息傳送到控制裝置15中，由控制裝置15計算干涉條紋13的漂移量并與設(shè)定值進行比較，當干涉條紋13的漂移量大于設(shè)定值時，控制裝置15發(fā)出控制信號，控制與物光反射鏡3連接在一起的壓電陶瓷4移動，使得物光反射鏡3作改變物光1光程的運動，進行位相補償，直至干涉條紋13的漂移量小于等于設(shè)定值，從而使在主記錄干版7上形成的干涉條紋的漂移量滿足全息光柵記錄的要求。
所述的步驟c中用物光1和參考光2照射到參考光柵12上時，在參考光柵12的后部區(qū)域可以接受到物光1的零級透射光18與參考光2的一級衍射光17將形成干涉條紋13，干涉條紋13的間距Λ為Λ=|λsin(θO)-sin(θR′)|]]>式中λ為記錄波長，θO為物寬光束6的入射角，θR′為參考寬光束10的一級衍射光出射角。參考光柵12準確復位時，θO＝θR′，干涉條紋13的間距無限大，線陣CCD 14不能夠采集到干涉條紋13的圖像信息。因此要調(diào)整參考光柵12的位置，使線陣CCD 14能夠采集到干涉條紋13的圖像信息。一般情況下是稍微移動一下參考光柵12，這時的一級衍射光17的出射角就會發(fā)生變化，可形成較粗的干涉條紋，例如干涉條紋的周期可調(diào)整為10mm。一般的線陣CCD單個像元的尺寸約為10um，這時利用線陣CCD采集此干涉條紋的光強分布是比較容易的。
所述的步驟d中由控制裝置15對采集到的干涉條紋13的漂移信息進行處理，由CCD 14采集到的干涉條紋13的圖像可知，干涉條紋13并非是一條完美的光滑的余弦曲線，曲線上有許多小的次峰，如圖4所示，推薦選用最小二乘法對從CCD采集到的光強曲線進行二次或高次擬合，且僅擬合所述光強曲線的波谷部分，由擬合后的二次曲線方程，可以解得波谷的坐標，當干涉條紋13發(fā)生漂移時，其波谷的坐標會隨之漂移，波谷坐標的變化量，完全代表了干涉條紋13的漂移量。
所述的控制裝置15向壓電陶瓷4發(fā)出的控制信號為電壓控制信號，所述的壓電陶瓷4的運動與所加電壓的大小成正向關(guān)系，但并不是線性關(guān)系。僅根據(jù)干涉條紋13的漂移量乘以一定的系數(shù)來進行相位補償，效果是不理想的。為了能夠更加精確地控制干涉條紋的漂移，系統(tǒng)采用PID比例-積分-微分方法進行控制。比例控制用來減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度；積分控制用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差；微分控制能夠預測偏差，產(chǎn)生超前的校正作用，改善動態(tài)性能。控制器輸出電壓信號U(ti)為U(ti)=U(ti-1)+K1×Xi+K2×dXidt]]>式中K1為比例系數(shù)，K2為微分系數(shù)，Xi為ti時刻條紋漂移量。
K1的求解可由實驗中移動一個條紋需要改變電壓值來確定。K2的求解確定相對困難，由于外界隨機運動對干涉條紋13的影響比較復雜，要通過建立擾動變化的數(shù)學模型來求解比例系數(shù)是很困難的，可利用計算機編寫自動優(yōu)化程序來確定。例如，預先給K2一個初始值，通過一段時間的曝光，對這一段時間內(nèi)的采集到的全部條紋漂移量Xi求均方差σxσx=Xi2n]]>每隔一段時間改變一次K2的數(shù)值，并分別計算它們均方差，均方差越小，說明K2選擇的越理想，最終可以獲得比較理想的系數(shù)。
如圖2所示，一種用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的裝置，包括分束鏡16，所述的分束鏡16用于將激光分束成物光1和參考光2；物光反射鏡3，所述的物光反射鏡3位于物光1的照射方向上，所述的物光反射鏡3用于反射物光1；物光擴束系統(tǒng)5，所述的物光擴束系統(tǒng)5位于反射后的物光1的光路上，所述的物光擴束系統(tǒng)5用于將反射后的物光1擴束成物寬光束6；參考光反射鏡8，所述的參考光反射鏡8位于參考光2的照射方向上，所述的參考光反射鏡8用于反射參考光2；參考光擴束系統(tǒng)9，所述的參考光擴束系統(tǒng)9位于反射后的參考光2的光路上，所述的參考光擴束系統(tǒng)9用于將反射后的參考光2擴束成參考寬光束10；主記錄干版7，所述的主記錄干版7位于物寬光束6和參考寬光束10的干涉區(qū)域內(nèi)；參考光柵12，所述的參考光柵12也位于物寬光束6和參考寬光束10的干涉區(qū)域內(nèi)，且與所述的主記錄干版7位于同一曝光區(qū)內(nèi)，在所述的參考光柵12的后部區(qū)域形成物寬光束6的零級透射光18與參考寬光束10的一級衍射光17，所述的零級透射光18與一級衍射光17在此形成的干涉條紋13；線陣CDD 14，所述的線陣CDD 14位于參考光柵12的后部區(qū)域，所述的線陣CDD 14用于采集所述的干涉條紋13的圖像信息；壓電陶瓷4，所述的壓電陶瓷4連接在物光反射鏡3上，所述的壓電陶瓷4帶動物光反射鏡3移動用于調(diào)節(jié)物光1的光程；控制裝置15，所述的控制裝置15一端與線陣CCD 14相連，另一端與壓電陶瓷4相連接。所述的控制裝置15用于計算所述的干涉條紋19的漂移量并與設(shè)定值進行比較，當干涉條紋19的漂移量大于設(shè)定值時，所述的控制裝置15控制與物光反射鏡3連接在一起的壓電陶瓷4移動，使得物光反射鏡3作改變物光1的光程的運動，直至干涉條紋19的漂移量小于等于設(shè)定值；所述的設(shè)定值為干涉條紋13的0～1/10周期。
為了驗證全息干涉條紋穩(wěn)定系統(tǒng)的使用效果，分別做兩組實驗進行對比，光柵的空頻為14801p/mm，曝光時間為2000秒。第一組實驗采用如圖1所示的不使用本發(fā)明的干涉條紋穩(wěn)定系統(tǒng)，記錄的全息光柵電鏡圖片見圖6，光刻膠掩膜高度很低，質(zhì)量很差。第二組實驗采用圖2所示光路拍攝全息光柵本發(fā)明的干涉條紋穩(wěn)定系統(tǒng)，記錄的全息光柵電鏡圖片見圖7，光刻膠掩膜高度很高，效果很好。對干涉條紋漂移量的數(shù)據(jù)分析表明，該系統(tǒng)使干涉條紋漂移均方差優(yōu)于λ/60，如圖5所示，圖中干涉條紋的歸化周期為100。
權(quán)利要求
1.一種用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的方法，它包括以下步驟a、將激光通過分束鏡(16)分成物光(1)和參考光(2)，物光(1)經(jīng)物光反射鏡(3)、物光擴束系統(tǒng)(5)后變?yōu)槲飳捁馐?6)，照射在主記錄干版(7)上；參考光(2)經(jīng)參考光反射鏡(8)、參考光擴束系統(tǒng)(9)后變?yōu)閰⒖紝捁馐?10)，也照射在主記錄干版(7)上；物寬光束(6)和參考寬光束(10)相互干涉在主記錄干版(7)上形成干涉條紋；其特征在于在與所述主記錄干版(7)同一平面上還設(shè)有參考干版(11)，所述的物寬光束(6)與參考寬光束(10)也照射在參考干版(11)上，物寬光束(6)和參考寬光束(10)相互干涉也在參考干版(11)上形成干涉條紋；b、將曝光過的參考干版(11)取出，經(jīng)顯影，定影處理后形成參考光柵(12)，再將參考光柵(12)放置到原來放參考干版(11)所在的位置；c、重復步驟a，此時物寬光束(6)與參考寬光束(10)再次照射到步驟b后所得的參考光柵(12)上，在參考光柵(12)的后部區(qū)域接受到物寬光束(6)的零級透射光(18)與參考寬光束(10)的一級衍射光(17)形成的干涉條紋(13)；d、利用線陣CCD(14)對在步驟c中形成的干涉條紋(13)的圖像信息進行采集，調(diào)節(jié)參考光柵(12)的位置，使所述的線陣CCD(14)能夠采集到干涉條紋(13)的圖像信息，并將所述的圖像信息傳送到控制裝置(15)中，由控制裝置(15)計算干涉條紋(13)的漂移量并與設(shè)定值進行比較，當干涉條紋(13)的漂移量大于設(shè)定值時，控制裝置(15)發(fā)出控制信號，控制與物光反射鏡(3)連接在一起的壓電陶瓷(4)移動，使得物光反射鏡(3)作改變物光(1)光程的運動，進行位相補償，直至干涉條紋(13)的漂移量小于等于設(shè)定值，從而使在主記錄干版(7)上形成的干涉條紋的漂移量滿足全息光柵記錄的要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的方法，其特征在于所述的步驟d中由控制裝置(15)對由線陣CCD(14)采集到的干涉條紋(13)的漂移信息進行處理，處理方法是利用二次或高次曲線去擬合干涉條紋(13)波谷部分的信息，獲得條紋的漂移量；所述的設(shè)定值為干涉條紋(13)的0～1/10周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的方法，其特征在于所述的控制裝置(15)向壓電陶瓷(4)發(fā)出的控制信號為電壓控制信號，所述的壓電陶瓷(4)的運動與所加電壓的大小成正向關(guān)系。
4.一種用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的裝置，其特征在于包括分束鏡(16)，所述的分束鏡(16)用于將激光分束成物光(1)和參考光(2)；物光反射鏡(3)，所述的物光反射鏡(3)位于物光(1)的照射方向上，所述的物光反射鏡(3)用于反射物光(1)；物光擴束系統(tǒng)(5)，所述的物光擴束系統(tǒng)(5)位于反射后的物光(1)的光路上，所述的物光擴束系統(tǒng)(5)用于將反射后的物光(1)擴束成物寬光束(6)；參考光反射鏡(8)，所述的參考光反射鏡(8)位于參考光(2)的照射方向上，所述的參考光反射鏡(8)用于反射參考光(2)；參考光擴束系統(tǒng)(9)，所述的參考光擴束系統(tǒng)(9)位于反射后的參考光(2)的光路上，所述的參考光擴束系統(tǒng)(9)用于將反射后的參考光(2)擴束成參考寬光束(10)；主記錄干版(7)，所述的主記錄干版(7)位于物寬光束(6)和參考寬光束(10)的干涉區(qū)域內(nèi)；參考光柵(12)，所述的參考光柵(12)也位于物寬光束(6)和參考寬光束(10)的干涉區(qū)域內(nèi)，且與所述的主記錄干版(7)位于同一曝光區(qū)內(nèi)，在所述的參考光柵(12)的后部區(qū)域形成物寬光束(6)的零級透射光(18)與參考寬光束(10)的一級衍射光(17)，所述的零級透射光(18)與一級衍射光(17)在此形成的干涉條紋(13)；線陣CDD(14)，所述的線陣CDD(14)位于參考光柵(12)的后部區(qū)域，所述的線陣CDD(14)用于采集所述的干涉條紋(13)的圖像信息；壓電陶瓷(4)，所述的壓電陶瓷(4)連接在物光反射鏡(3)上，所述的壓電陶瓷(4)帶動物光反射鏡(3)移動用于調(diào)節(jié)物光(1)的光程；控制裝置(15)，所述的控制裝置(15)一端與線陣CCD(14)相連，另一端與壓電陶瓷(4)相連接。所述的控制裝置(15)用于計算所述的干涉條紋(19)的漂移量并與設(shè)定值進行比較，當干涉條紋(19)的漂移量大于設(shè)定值時，所述的控制裝置(15)控制與物光反射鏡(3)連接在一起的壓電陶瓷(4)移動，使得物光反射鏡(3)作改變物光(1)的光程的運動，直至干涉條紋(19)的漂移量小于等于設(shè)定值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的裝置，其特征在于所述的設(shè)定值為干涉條紋(13)的0～1/10周期。
全文摘要
一種用控制裝置穩(wěn)定全息干涉條紋的方法及裝置，外界的擾動常造成干涉條紋的隨機漂移，從而使拍攝的全息光柵質(zhì)量下降，利用線陣CCD采集干涉條紋圖像信息并傳送給控制裝置，控制裝置計算條紋漂移量，控制裝置控制與反射鏡連接在一起的壓電陶瓷移動進行位相補償，可使干涉條紋的漂移大大的減小，達到穩(wěn)定曝光區(qū)域干涉條紋，曝光時間將允許大大延長。
文檔編號G02B5/32GK1845017SQ20061003996
公開日2006年10月11日 申請日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者李朝明, 吳建宏, 朱亞一, 居戩之, 胡祖元, 陳新榮, 劉全, 韋小茹 申請人:蘇州大學