CN102645322A - 差动共焦系统球差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种差动共焦系统球差测量方法。该方法将环形光瞳滤波技术和差动共焦定焦技术融合，测得当不同通光高度的环形光束通过被测系统后其聚焦焦点移动的距离，进而得到被测系统的球差。本发明首次将差动共焦测量技术扩展到系统球差测量领域，具有测量精度高、光路简单、抗环境干扰能力强等优点，可用于系统球差的高精度检测。

Description

差动共焦系统球差测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于光学镜组及透镜球差的高精度检测。 

技术背景

对于成像系统来说，像差是影响其成像质量的一个重要指标。如果成像系统是理想的光学系统，则同一物点发出的光经过光学系统后聚焦为同一理想像点。但由于像差的存在，同一物点的光经过实际的光学系统后会在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束，会严重影响成像光学系统的成像质量。而轴上球差是众多像差中的一种重要形式，其大小将严重影响诸如准直透镜、扩束镜等光学系统的性能，因而如何更高精度地检测光学系统的球差成了光学测量领域的一个难题。 

传统的光学系统轴向球差测量通常是采用星点像法或刀口阴影法，其测量结果很大程度上都与操作人员的主观因素有关，而且这两种测量方法都只能给出定性或近似定量的测量结果，精度极低。 

哈特曼像差测量方法的出现为光学系统球差的定量测量提供了一条可行途径。在哈特曼像差测量过程中，被测系统的几何像差可以通过直接观察光束传输的路径解算得到。发表在《APPLIED OPTICS》中的《Measurement of spherical aberrations using a solid-state image sensor》一文提到，将固体图像传感技术与哈特曼像差测量方法结合，可实现光学系统球差的在线测量，并将球差测量精度提高到5-10um。发表在《强激光与粒子束》中的《扫描型哈特曼检测装置研究》一文表明，中国科学院上海精密科学研究所已于2005年研制成功一种可用于球差测量的扫描型哈特曼检测新装置，该装置实测的球差值与理论球差值最大偏差为14.6％。但是受系统成像清晰度及固体图像传感器信噪比所限，哈特曼像差测量方法的精度很难有进一步的提高。 

此外，学者们还提出了利用其他原理测量光学系统球差的方法，如发表在《光学学报》中的《二次光栅在波前测量中的应用》一文提到，利用特殊设计的一种二次光栅，可用于激光光束波前的测量，进而实现系统球差的测量；再如发表在《应用光学》中的《轴向球差自动测量系统》介绍了一种利用CCD细分刀口阴影图的方法测量系统球差，该论文采用CCD将刀口阴影图细分后经图像去噪、锐化处理，实现阴影图中亮暗环分界位置的定位，步进电机配合精密 螺杆在计算机控制下可对刀口的位置进行精密控制，进而实现了对系统球差的测量，但是受亮暗环分界位置识别精度所限，该方法的测量精度很难提高。 

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术迅速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度。由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，所以该方法的灵敏度高于垂轴方向的评价方法，并且该方法采用光强作为数据信息，相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力。例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗扰动能力。 

本发明人在差动共焦显微成像技术的启发下，率先提出将差动共焦测量技术应用于元件参数测量领域，利用差动共焦技术的高轴向分辨率提高元件参数的检测精度，现已申请多项国家发明专利，例如专利“差动共焦曲率半径测量方法与装置”(专利号：200910082249.0)，专利“基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置”(专利号：201010105743.7)，专利“差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置”(专利号：201010000553.9)等。 

本发明是基于差动共焦技术的系统像差参数测量方法。由于差动共焦技术具有超分辨轴向定焦能力，且不易受环境干扰，所以将该技术用于系统球差的检测，相比于以往测量方法具有测量精度高、抗干扰能力强及智能化程度高等诸多优点。 

发明内容

为了提高光学镜组及透镜球差的测量精度，本发明提出一种差动共焦系统球差测量方法。该差动共焦系统球差测量方法的核心思想是，将环形光瞳滤波技术和差动共焦定焦技术融合，测得当不同通光高度的环形光束通过被测系统后，其聚焦焦点移动的距离，进而得到被测系统的球差。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

本发明的一种差动共焦系统球差测量方法，包括以下步骤： 

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜、环形光瞳和被测系统后照射在平面反射镜上，由平面反射镜的表面反射，反射回来的光经被测系统、环形光瞳和准直透镜后由分光镜反射进入差动共焦测量系统； 

(b)调整被测系统，使其与准直透镜共光轴，准直透镜将点光源产生的光准直成平行光，平行光通过环形光瞳后形成环形光束照射在被测系统上，由被测系统会聚形成测量光束照射在平面反射镜上，调整平面反射镜，使其与准直透 镜共光轴； 

(c)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的聚焦焦点与平面反射镜表面接近。在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与平面反射镜的表面相重合，进而精确确定该环形光瞳对应的测量光束的聚焦焦点位置； 

(d)当环形光瞳的内环半径r_a＝0时，环形光瞳简化为圆形光瞳，用圆形光瞳作用于被测系统，测得被测系统的近轴光束聚焦焦点位置z₀； 

(e)更换具有不同通光高度的环形光瞳，测得当环形光瞳的通光高度为h₁～h_n时测量光束的聚焦焦点位置z₁～z_n，则被测系统在通光高度为h₁～h_n时，对应的球差分别为： 

δL_n′＝z_n-z₀

本发明所述的差动共焦系统球差测量方法，为了全面而又概括地表示出被测系统在不同通光高度下的球差，还可以取若干个具有代表性的归一化通光高度时的被测系统球差来描述整个光束的结构。 

本发明所述的差动共焦系统球差测量方法，还可以将环形光瞳替换为振幅型空间光调制器，通过振幅型空间光调制器将平行光束调制为具有一定通光高度的环形光束，以提高环形光束的切换速度及测量系统的自动化程度。 

本发明所述的差动共焦系统球差测量方法，还可以在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与差动共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。 

本发明所述的差动共焦系统球差测量方法，还可以对点光源发出的光进行光强调制，由差动共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的差动共焦响应信号，将该调制信号解调后得到差动共焦响应曲线，从而提高系统的抗环境干扰能力。 

有益效果： 

本发明对比已有技术具有以下创新点： 

1.首次提出将环形光瞳滤波技术和差动共焦定焦技术融合，利用差动共焦响应曲线的过零点确定具有不同通光高度的环形光束通过被测系统后的聚焦焦点位置，进而得到被测系统的球差； 

2.本测量方法中，差动共焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，并配合差动共焦系统进行光强调制与滤波，能有效削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响； 

3.在该测量方法中引入振幅型空间光调制器，通过振幅型空间光调制器将 平行光束调制为具有一定通光高度的环形光束，以提高环形光束的切换速度及测量系统的自动化程度。 

本发明对比已有技术具有以下显著优点： 

1.差动共焦技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，所以本发明相比其他系统球差测量方法具有更高的测量精度； 

2.差动工作方式可以削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响； 

3.该测量光路简单且紧凑，有效降低了环境扰动对测量精度的影响。 

附图说明

图1为本发明差动共焦系统球差测量方法的示意图； 

图2为本发明中环形光瞳的示意图； 

图3为本发明中具有不同通光高度的环形光束的聚焦焦点位置的示意图； 

图4为本发明差动共焦系统球差测量实施例的示意图； 

图5为本发明由差动共焦测量系统探测得到的差动共焦响应曲线； 

图6为本发明测得的被测系统通光高度与球差的关系曲线； 

其中：1-点光源、2-分光镜、3-准直透镜、4-环形光瞳、5-被测系统、6-平面反射镜、7-差动共焦测量系统、8-焦后针孔、9-焦后光强传感器、10-焦前针孔、11-焦前光强传感器、12-分光镜、13-测量光束、14-焦后显微物镜、15-CCD探测器、16-焦前显微物镜、17-CCD探测器、18-点光源发生装置、19-光纤、20-激光器、21-主控计算机、22-图像采集卡、23-图像采集卡、24-机电控制装置、25-直线平移导轨、26-二维调整架。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

本发明使用一种基于差动共焦测量技术的系统球差测量方法，显著提高了对被测系统球差的测量精度。其核心思想是，将环形光瞳滤波技术和差动共焦定焦技术融合，测得当不同通光高度的环形光束通过被测系统后其聚焦焦点移动的距离，进而得到被测系统的球差。 

实施例1 

当被测系统5是口径为D＝76mm、材料为K9玻璃、厚度b＝8mm、焦距f′＝500mm的平凸透镜时，差动共焦系统球差测量装置如图4所示，其测量步骤是： 

(a)启动主控计算机21中的测量软件，打开激光器20，激光器20所发出的光经光纤19传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分光镜2、准直透镜3和环形光瞳4后形成波面为平面的环形光束； 

(b)将平面反射镜6放置于二维调整架26上，通过二维调整架26调整平面反射镜6，使其表面与准直透镜3的光轴相垂直； 

(c)将被测系统5放置于环形光瞳4和平面反射镜6之间，调整被测系统5，使其与准直透镜3共光轴。环形光束照射在被测系统5上，由被测系统5会聚形成测量光束13照射在平面反射镜6上； 

(d)主控计算机21中的测量软件通过机电控制装置24控制直线平移导轨25轴向平移，进而带动平面反射镜6沿光轴方向移动。将平面反射镜6移动到其表面与测量光束13的聚焦焦点相接近，然后在该位置附近扫描平面反射镜6，测量软件通过图像采集卡22和图像采集卡23采集得到焦前光斑数据和焦后光斑数据并处理出如附图5所示的差动共焦响应曲线。通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束13的焦点与平面反射镜6的表面相重合，进而精确确定该环形光瞳4对应的测量光束聚焦焦点位置； 

(e)当如附图2所示的环形光瞳4的内环半径r_a＝0时，环形光瞳4简化为圆形光瞳，用圆形光瞳作用于被测系统5，通过步骤(d)测得被测系统5的近轴光束聚焦焦点位置z₀＝0.0102mm； 

(f)更换一系列具有不同内环半径r_a及外环半径r_b的环形光瞳4，其通光高度可通过下式算得： 

$h=\frac{2}{3}\left(\frac{r_a^2+r_a{r}_b+r_b^2}{r_a+r_b}\right)$

如附图3所示，重复步骤(d)测得被测系统5在不同通光高度环形光瞳作用时测量光束的聚焦焦点位置z_n，进而得到被测系统5在通光高度为h₁～h_n时对应的球差分别为： 

δL_n′＝z_n-z₀

(g)根据测得的被测系统5在不同通光高度下的球差，作出如附图6所示的通光高度与球差的关系曲线，通过插值法可以得到该被测系统5在任意通光高度h下的球差。 

如附图1所示，该差动共焦系统球差测量方法中的差动共焦测量系统7包括分光镜12、焦前针孔10、焦前光强传感器11、焦后针孔8和焦后光强传感器9。由分光镜2反射回来的光进入差动共焦测量系统7，由分光镜12将光束分成 两路，一路通过焦前针孔10后，照射在焦前光强传感器11上，另一路通过焦后针孔8后，照射在焦后光强传感器9上。在实际系统设计中，通常采用如附图4中所示的差动共焦测量系统7降低系统装调难度。该差动共焦测量系统7包括分光镜12、焦前显微物镜16、CCD探测器17、焦后显微物镜14和CCD探测器15。其中焦前显微物镜16的物平面位于焦前，在其像平面放置CCD探测器17，焦后显微物镜14的物平面位于焦后，在其像平面放置CCD探测器15。由分光镜2反射回来的光进入差动共焦测量系统7，由分光镜12将光线分成两路，一路通过焦前显微物镜16成像在CCD探测器17上，另一路通过焦后显微物镜14成像在CCD探测器15上。 

实施例2 

根据实施例1测得的被测系统5在通光高度为h₁～h_n时对应的球差δL₁′～δL_n′，可通过插值法得当归一化通光高度为1.0、0.85、0.7071、0.5、0.3时，被测系统5对应的球差分别为δL_a′＝-3.183mm、δL_b′＝-2.2955mm、δL_c′＝-1.5994mm、δL_d′＝-0.7919mm、δL_e′＝-0.2848mm。为了全面而概括地表示出被测系统5在不同通光高度下的球差，通常取δL_a′、δL_b′、δL_c′、δL_d′、δL_e′这五个具有代表性的球差来描述整个光束的结构。 

实施例3 

与实施例1和2不同的是，本实施例将以上实施例中的环形光瞳替换为振幅型空间光调制器，通过振幅型空间光调制器将平行光束转化为具有一定通光高度的环形光束，继而完成系统球差的测量过程。通过振幅型空间光调制器可以提高环形光束的切换速度及测量系统的自动化程度。 

此实施例通过一系列的措施实现了对被测系统5球差的测量。在测量过程中，采用差动共焦测量方法对被测系统5在不同环形光瞳下的光束聚焦焦点进行精确定焦，进而测得被测系统5的球差，测量精度高，抗环境干扰能力强。 

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.差动共焦系统球差测量方法，其特征在于：

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜、环形光瞳和被测系统后照射在平面反射镜上，由平面反射镜的表面反射，反射回来的光经被测系统、环形光瞳和准直透镜后由分光镜反射进入差动共焦测量系统；

(b)调整被测系统，使其与准直透镜共光轴，准直透镜将点光源产生的光准直成平行光，平行光通过环形光瞳后形成环形光束照射在被测系统上，由被测系统会聚形成测量光束照射在平面反射镜上，调整平面反射镜，使其与准直透镜共光轴；

(c)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的聚焦焦点与平面反射镜表面接近，在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与平面反射镜的表面相重合，进而精确确定该环形光瞳对应的测量光束的聚焦焦点位置；

(d)当环形光瞳的内环半径r_a＝0时，环形光瞳简化为圆形光瞳，用圆形光瞳作用于被测系统，测得被测系统的近轴光束聚焦焦点位置z₀；

(e)更换具有不同通光高度的环形光瞳，测得当环形光瞳的通光高度为h₁～h_n时测量光束的聚焦焦点位置z₁～z_n，则被测系统在通光高度为h₁～h_n时，对应的球差分别为：

δL_n′＝z_n-z₀。

2.根据权利要求1所述的差动共焦系统球差测量方法，其特征在于：为了全面而又概括地表示出被测系统在不同通光高度下的球差，取若干个具有代表性的归一化通光高度时的被测系统球差来描述整个光束的结构。

3.根据权利要求1所述的差动共焦系统球差测量方法，其特征在于：将环形光瞳替换为振幅型空间光调制器，通过振幅型空间光调制器将平行光束调制为具有一定通光高度的环形光束，提高了环形光束的切换速度及测量系统的自动化程度。

4.根据权利要求1所述的差动共焦系统球差测量方法，其特征在于：在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与差动共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。

5.根据权利要求1所述的差动共焦系统球差测量方法，其特征在于：对点光源发出的光进行光强调制，由差动共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的差动共焦响应信号，将该调制信号解调后得到差动共焦响应曲线，从而提高系统的抗环境干扰能力。 

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