CN102889980A - 一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，属于光学检测技术领域，该方法利用郎奇光栅的0级和1级衍射光干涉产生的条纹完成对微透镜的定焦测量：平行光经过郎奇光栅时，由于光栅的衍射效应产生0级和1级衍射光斑；根据衍射光波前相位变化，当光栅位于微透镜焦面上时，光斑重叠区域没有干涉条纹；当光栅位于离焦位置时，光斑重叠区域将由于位相差异产生干涉条纹；通过不同离焦位置的条纹周期变化，即可计算光栅的离焦量从而完成微透镜的定焦测量。本发明根据物理光学理论，定量分析光栅离焦量与条纹周期的关系，通过光栅在焦前和焦后两次离焦时条纹周期的不同，计算两次离焦量，从而完成微透镜及其阵列元件的定焦。

Description

一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，可用于微透镜及其阵列元件的精密定焦测量。

背景技术

微透镜由于其自身的衍射效率高、工作波段宽、集成化和微型化程度高等优点，广泛应用于光准直、光信息处理、光计算和光互连等领域。随着微光学技术的提高和微细加工工艺的提高，微透镜向着微型化和阵列化的方向发展，其重要标志是微透镜阵列元件的出现。微透镜阵列是作为自适应光学系统中哈特曼-沙克波前传感器的核心部件，其定焦检测精度影响自适应光学系统的装配和波前检测精度。

由于微透镜及其阵列元件的应用广泛，其定焦检测方法也越来越多。传统的检测方法包括：光强计检测法、图像清晰度函数定焦方法、彩色CCD摄像法、光纤探针扫描法和干涉仪定焦法等。

光强计检测法是利用光强计在微透镜焦面附近移动，当光强计显示的光强值为极大值时即可认为该位置为微透镜的焦面位置。该方法进行微透镜定焦测量时操作简便易行，但受检测环境影响较大，精度不高。同时，对微透镜阵列元件进行定焦时，该方法只能确定微透镜阵列的平均焦距，不能满足微透镜阵列的定焦要求。

图像清晰度评价函数定焦方法是基于数字图像处理分析原理的一种定焦方法。根据清晰度评价函数的不同，主要分为图像梯度能量函数、图像拉普拉斯能量函数、灰度平均值函数和灰度方差函数等几类。灰度方差函数由于计算简便，应用较多常用于微透镜及其阵列元件的定焦测量：

$G=\frac{1}{M}\frac{1}{N}\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{[g(x,y)-\mathrm{\μ}]}^2$

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{M}\frac{1}{N}\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}g(x,y)$

式中，g(x,y)为CCD探测器采集的数字图像各点处的灰度值，μ为数字图像灰度值的平均值，M，N为数字图像的行数和列数。从上式可知，采集的数字图像越清晰（图像锐度越大），相邻像素间的灰度差值越大，其灰度方差函数也越大。当CCD探测器沿光轴移动时，在微透镜焦面上，其图像最清晰，灰度方差函数取极大值。根据图像灰度方差函数的变化趋势即可完成微透镜及其阵列元件的定焦。该方法检测精度较高，一次采集图像可完成微透镜多个阵列的定焦测量；但在微透镜焦面附近采集图像数较多，数据计算量较大从而限制其检测效率且受CCD探测器暗电流等噪声影响，对大F数的微透镜及其阵列元件的检测精度焦低，不适于大F数的微透镜定焦测量。

彩色CCD摄像法是利用CCD光谱响应宽、稳定性好合操作简便的优点，利用CCD探测器直接检测微透镜成像光斑从而完成微透镜定焦测量。该方法不仅可以测量单色光的光斑，还可以测量复合光的光斑；但测量过程中，CCD探测器的各项性能指标对测量精度影响较大，CCD探测器的光电响应不均匀性和非线性将导致测量结果出现较大的偏差。

光纤探针扫描法是将探针移动到光斑附近进行横向二维扫描，所得光学信号经光学探针收集后经单模光纤传输到光电倍增管进行光电转换，经放大转换成数字信号后输入计算机重构称为光斑能量分布图。该方法可以对微透镜进行定焦测量；但该方法测量精度受探针制作工艺、扫描器的性能和步进电机步精度影响，同时利用探针二维扫描操作较复杂且对微透镜像差影响的抗干扰能力较差。

干涉仪定焦法是利用干涉仪条纹变化完成对微透镜及其阵列元件的定焦测量。在微透镜后方放置一个平面镜，当调节干涉仪出射光与被测微透镜共焦时，干涉仪的出射光线沿原路返回。根据费马原理，返回光线光程差一致，干涉仪中不出现干涉条纹。该方法通过条纹变化即可完成微透镜及其阵列元件的定焦检测；但该方法操作较复杂，测量效率偏低且测量成本较高。同时，由于微透镜及其阵列元件像差的影响，该方法测量精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有定焦技术在微透镜及其阵列元件精密定焦测量上不足，提供一种新的检测方法，用于微透镜及其阵列元件的精确定焦测量。同时根据微透镜阵列元件阵列数较多的现状，兼顾定焦测量的效率和精度，使该方法可用于阵列数较多的微透镜阵列元件的定焦检测。

本发明解决上述技术问题，采取的技术方案是：一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，该检测系统由He-Ne激光器、聚光镜、平行光管、小孔挡板、被测微透镜、郎奇光栅和CCD探测器组成，通过郎奇光栅的0级和1级衍射光干涉产生的条纹变化状况，完成被测微透镜的定焦检测，该方法通过以下步骤完成对被测微透镜的定焦测量：

步骤1：将郎奇光栅置于被测微透镜的焦前，利用微移平台移动CCD探测，使郎奇光栅在CCD探测器上清晰成像即CCD探测器的像面与郎奇光栅的刻画表面重合；

步骤2：移动CCD探测器，使其成像焦面与郎奇光栅的轴向距离为h并用CCD探测器测量干涉条纹的周期p₁；

步骤3：移动郎奇光栅，使其位于被测微透镜的焦后，利用CCD探测器测量干涉条纹的周期p₂；

步骤4：根据两次测量时条纹周期的变化，结合郎奇光栅移动的距离l，即可分别计算郎奇光栅两次测量时的离焦量s₁和s₂；

步骤5：根据郎奇光栅的离焦量s₁和CCD探测器与郎奇光栅的距离h即可计算CCD探测器的离焦位置z：

$z=h-s_1=h-\frac{p_1}{p_1+p_2}l$

将CCD探测器向被测微透镜移动z即可完成对被测微透镜的定焦测量。

进一步的，步骤4中的离焦量s₁和s₂具体计算方法如下：根据物理光学理论：

$p_1=\frac{z}{s_1}p$ $p_2=\frac{z}{s_2}p$

式中p为CCD探测器（7）测量的郎奇光栅（6）的周期，根据两次测量干涉条纹周期的变化关系p₁s₁＝p₂s₂结合光栅移动距离l＝s₁+s₂，分别计算两次测量时光栅离焦量：

$s_1=\frac{p_2}{p_1+p_2}l,$ $s_2=\frac{p_1}{p_1+p_2}l.$

另外，该方法用于微透镜阵列的定焦检测时，微透镜阵列各个子单元相当于一个小孔径的微透镜，可通过以下步骤完成测量：

步骤A1：根据上述步骤1到步骤5完成微透镜阵列第一个子单元的定焦检测，以该子单元作为基准，将郎奇光栅移动到微透镜阵列该被测子单元焦后，使其离焦量为s，用CCD探测器测量相应的干涉条纹周期p_s；

步骤A2：移动小孔挡板将微透镜阵列其余各个子单元依次移动进入检测光路系统，用CCD探测器分别记录相应的干涉条纹周期p_i；

步骤A3：根据微透镜阵列各个子单元的条纹周期变化，可计算出相应子单元的离焦变化量Δs_i：

$\mathrm{\Δ}{s}_i=s_i-s=\frac{\mathrm{sz}(p_s-p_i)}{{\mathrm{zp}}_i-s{p}_s}$

当p_s＝p_i时，s_i=s即两个子单元的光栅离焦量一致。微透镜阵列定焦检测是以第一个子单元为基准，根据测量其余子单元的焦面和基准子单元焦面间的离焦变化量Δs_i，完成对各个子单元的定焦检测。

本发明的有益效果是：

（1）、本发明基于光栅衍射的剪切干涉技术，根据离焦量和干涉条纹的周期变化，即可完成微透镜及其阵列元件各子单元的定焦测量。

（2）、本发明根据物理光学理论，定量分析光栅离焦量与条纹周期的关系，通过光栅在焦前和焦后两次离焦时条纹周期的不同，计算两次离焦量，从而完成微透镜及其阵列元件的定焦。

（3）、相比较传统的定焦检测方法，本发明无需再微透镜及其阵列元件焦面附近采集图像进行比较，可直接计算离焦量，该方法操作简便易行，检测效率较高。

附图说明

图1为基于光栅剪切干涉对微透镜及其阵列元件进行定焦检测的流程图。

图2为基于光栅衍射的剪切干涉对微透镜的定焦检测原理图。

图3为微透镜阵列定焦检测原理图。

图中，1.He-Ne激光器，2.聚光镜，3.平行光管，4.小孔挡板，5.被测微透镜，6.郎奇光栅，7.CCD探测器。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明，图2中，一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，该检测系统由He-Ne激光器1、聚光镜2、平行光管3、小孔挡板4、被测微透镜5、郎奇光栅6和CCD探测器7组成，通过郎奇光栅6的0级和1级衍射光干涉产生的条纹变化状况，完成被测微透镜5的定焦检测，He-Ne激光器1经聚光镜2和平行光管3准直扩束后，经过小孔挡板4以平面波前进入被测微透镜5。该方法可通过以下步骤完成对被测微透镜5的定焦测量：

步骤1：将郎奇光栅6置于被测微透镜5的焦前，利用微移平台移动CCD探测7，使郎奇光栅6在CCD探测器7上清晰成像即CCD探测器7的像面与郎奇光栅6的刻画表面重合；

步骤2：移动CCD探测器7，使其成像焦面与郎奇光栅6的轴向距离为h并用CCD探测器7测量干涉条纹的周期p₁；

根据物理光学理论：当不存在郎奇光栅6时，平面波前在被测微透镜5焦面上形成相应的爱里斑。当在被测微透镜5焦前加入郎奇光栅6时，郎奇光栅6的复振幅透过率为：

$g\left(x\right)=\mathrm{\Σ}{c}_n\exp \left(2\mathrm{\πi}\frac{\mathrm{nx}}{p}\right),n=0,\±1,\±2\·\·\·$

式中p为光栅周期，λ为检测光源的波长。郎奇光栅的占空比为50%，其偶级次衍射光斑缺级且高级次衍射光斑（3级以上）相对光强较弱，只考虑计算其0级和±1级衍射光，郎奇光栅表面出射波前的复振幅分布为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_0(x_1,y_1,-s_1)=\frac{c_0}{\mathrm{i\λ}{s}_1}\exp (-i{\mathrm{ks}}_1)\exp (-\mathrm{ik}\frac{x_1^2+y_1^2}{2s_1})\\ U_{+1}(x_1,y_1,-s_1)=\frac{c_1}{i{\mathrm{\λs}}_1}\exp (-\mathrm{ik}{s}_1)\exp \left\{\mathrm{ik}\right[-\frac{(x_1-s_1\mathrm{\λ}/p)+y_1^2}{2s_1}+\frac{s_1{\mathrm{\λ}}^2}{2p^2}\left]\right\}\\ U_{-1}(x_1,y_1,-s_1)=\frac{c_{-1}}{\mathrm{i\λ}{s}_1}\exp (-\mathrm{ik}{s}_1)\exp \left\{\mathrm{ik}\right[-\frac{(x_1+s_1\mathrm{\λ}/p)+y_1^2}{2s_1}+\frac{s_1{\mathrm{\λ}}^2}{2p^2}\left]\right\}\end{array}\right.$

显然郎奇光栅6的出射光为3个存在相位差异的汇聚球面波前。根据球面波前传输原理，CCD探测器7上将接收到3个衍射光斑即0级衍射光斑，+1级衍射光斑和-1级衍射光斑的复振幅分布化简为：

$U(x,y,z)=A_0\exp \left(\mathrm{ik}\frac{x_1^2+y_1^2}{2z}\right)+A_{\±1}\exp \left\{\mathrm{ik}\right[\frac{(x_1\±s_1\mathrm{\λ}/p)+y_1^2}{2z}-\frac{s_1{\mathrm{\λ}}^2}{2p^2}\left]\right\}$

计算0级衍射光斑和±1级衍射光斑重叠区域的光强分布：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{0,+1}=A_0^2+A_{+1}^2+2A_0{A}_{+1}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{s_1}{\mathrm{pz}}x\right)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{s_1^2-s_{1}z}{2z{p}^2}\mathrm{\λ}\right)\\ I_{0,+1}=A_0^2+A_{+1}^2+2A_0{A}_{+1}\cos (-2\mathrm{\π}\frac{s_1}{\mathrm{pz}}x)\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{s_1^2-s_{1}z}{2z{p}^2}\mathrm{\λ}\right)\end{array}\right.$

分析可知两个重叠区域的光强分布一致，都呈周期性变化即产生干涉条纹，条纹周期为：

$p_1=\frac{\mathrm{pz}}{s_1}$

步骤3：移动郎奇光栅6，使其位于被测微透镜5的焦后，利用CCD探测器7测量干涉条纹的周期p₂；

同样可分析当郎奇光栅6在被测微透镜5焦后离焦位置s₂时，其条纹周期为：

$p_2=\frac{\mathrm{pz}}{s_2}$

步骤4：根据两次测量时条纹周期的变化，结合郎奇光栅6移动的距离l，即可分别计算郎奇光栅6两次测量时的离焦量s₁和s₂；

步骤5：根据郎奇光栅6的离焦量s₁和CCD探测器7与郎奇光栅6的距离h即可计算CCD探测器的离焦位置z：

$z=h-s_1=h-\frac{p_1}{p_1+p_2}l$

将CCD探测器7向被测微透镜5移动z即可完成对被测微透镜5的定焦测量。

步骤4中的离焦量s₁和s₂具体计算方法如下：根据物理光学理论：

$p_1=\frac{z}{s_1}p$ $p_2=\frac{z}{s_2}p$

式中p为CCD探测器7测量的郎奇光栅6的周期，根据两次测量干涉条纹周期的变化关系p₁s₁＝p₂s₂结合光栅移动距离l＝s₁+s₂，分别计算两次测量时光栅离焦量：

$s_1=\frac{p_2}{p_1+p_2}l,$ $s_2=\frac{p_1}{p_1+p_2}l.$

其用于微透镜阵列的定焦测量时，微透镜阵列各个子单元相当于一个小孔径的微透镜，可通过以下步骤完成测量：

步骤A1：根据步骤1到步骤5完成微透镜阵列第一个子单元的定焦检测，以该子单元作为基准，将郎奇光栅6移动到微透镜阵列该被测子单元焦后，使其离焦量为s，用CCD探测器测量相应的干涉条纹周期p_s；

步骤A2：移动小孔挡板4将微透镜阵列其余各个子单元依次移动进入检测光路系统，用CCD探测器7分别记录相应的干涉条纹周期p_i；

步骤A3：根据微透镜阵列各个子单元的条纹周期变化，可计算出相应子单元的离焦变化量Δs_i：

$\mathrm{\Δ}{s}_i=s_i-s=\frac{\mathrm{sz}(p_s-p_i)}{z{p}_i-{\mathrm{sp}}_s}$

当p_s＝p_i时，s_i=s即两个子单元的光栅离焦量一致。微透镜阵列定焦检测是以第一个子单元为基准，根据测量其余子单元的焦面和基准子单元焦面间的离焦变化量Δs_i，完成对各个子单元的定焦检测。

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，该检测系统由He-Ne激光器（1）、聚光镜（2）、平行光管（3）、小孔挡板（4）、被测微透镜（5）、郎奇光栅（6）和CCD探测器（7）组成，通过郎奇光栅（6）的0级和1级衍射光干涉产生的条纹变化状况，完成被测微透镜（5）的定焦检测，其特征是：该方法可通过以下步骤完成对被测微透镜（5）的定焦测量：

步骤1：将郎奇光栅（6）置于被测微透镜（5）的焦前，利用微移平台移动CCD探测（7），使郎奇光栅（6）在CCD探测器（7）上清晰成像即CCD探测器（7）的像面与郎奇光栅（6）的刻画表面重合；

步骤2：移动CCD探测器（7），使其成像焦面与郎奇光栅（6）的轴向距离为h并用CCD探测器（7）测量干涉条纹的周期p₁；

步骤3：移动郎奇光栅（6），使其位于被测微透镜（5）的焦后，利用CCD探测器（7）测量干涉条纹的周期p₂；

步骤4：根据两次测量时条纹周期的变化，结合郎奇光栅（6）移动的距离l，即可分别计算郎奇光栅（6）两次测量时的离焦量s₁和s₂；

步骤5：根据郎奇光栅（6）的离焦量s₁和CCD探测器（7）与郎奇光栅（6）的距离h即可计算CCD探测器的离焦位置z：

$z=h-s_1=h-\frac{p_1}{p_1+p_2}l$

将CCD探测器（7）向被测微透镜（5）移动z即可完成对被测微透镜（5）的定焦测量。

2.根据权利要求1所述的微透镜定焦检测方法，其特征在于：步骤4中的离焦量s₁和s₂具体计算方法如下：根据物理光学理论：

$p_1=\frac{z}{s_1}p$ $p_2=\frac{z}{s_2}p$

式中p为CCD探测器（7）测量的郎奇光栅（6）的周期，根据两次测量干涉条纹周期的变化关系p₁s₁＝p₂s₂结合光栅移动距离l＝s₁+s₂，分别计算两次测量时光栅离焦量：

$s_1=\frac{p_2}{p_1+p_2}l,$ $s_2=\frac{p_1}{p_1+p_2}l.$

3.一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜阵列定焦检测方法，其特征在于：微透镜阵列各个子单元相当于一个小孔径的微透镜，该方法通过以下步骤完成微透镜阵列各个子单元的定焦测量：

步骤A1：根据权利要求1的步骤1到步骤5完成微透镜阵列第一个子单元的定焦检测，以该子单元作为基准，将郎奇光栅（6）移动到微透镜阵列该被测子单元焦后，使其离焦量为s，用CCD探测器测量相应的干涉条纹周期p_s；

步骤A2：移动小孔挡板（4）将微透镜阵列其余各个子单元依次移动进入检测光路系统，用CCD探测器（7）分别记录相应的干涉条纹周期p_i；

步骤A3：根据微透镜阵列各个子单元的条纹周期变化，可计算出相应子单元的离焦变化量Δs_i：

$\mathrm{\Δ}{s}_i=s_i-s=\frac{\mathrm{sz}(p_s-p_i)}{z{p}_i-s{p}_s}$

当p_s＝p_i时，s_i=s即两个子单元的光栅离焦量一致，微透镜阵列定焦检测是以第一个子单元为基准，根据测量其余子单元的焦面和基准子单元焦面间的离焦变化量Δs_i，完成对各个子单元的定焦检测。

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