CN110320011B - 一种透射波前检测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种透射波前检测系统和方法，该系统包括在光路上依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜、待测镜片托盘、扩束镜和波前传感器，以及与所述聚焦透镜相耦合用于驱动所述聚焦透镜沿光轴方向移动的第一驱动器，与所述待测镜片托盘相耦合用于驱动所述待测镜片托盘沿垂直光轴的XY方向平移的第二驱动器，与所述扩束镜相耦合用于驱动所述扩束镜沿光轴方向移动的第三驱动器。使用该检测系统的方法，根据扩束镜位移前后测得的波前测量数据，计算得到差分补偿的波前，能够改善测量系数矩阵的稀疏性，有效降低模态耦合的影响，提高波前测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件检测，特别是一种透射波前检测系统和方法。
背景技术
波前传感技术可以直观测试波前畸变相位分布，在很多方面有着广泛的应用。如激光光束质量诊断、光学系统检测、光通信系统等等领域。波前的测量方法目前比较常用的是干涉检测和基于夏克哈特曼波前检测方法。Shack-Hartmann波前传感器(SHWFS)是一种常规瞳面波前传感器，其特点是设置简单，精度高，环境要求不高，处理速度快，可以动态实时检测波前，是一种很常用的波前检测方法。随着科技的发展，对测量精度和分辨率要求越来越高，导致夏克哈特曼传感器的微透镜阵列的加工尺寸越来越小，数目越来越多。由于在校准和测试的过程中，噪声以及测试波面局部异常的变化，会使得测量时候光斑的质心出现缺失或者局部异常，称为局部异常点。局部异常点会使得后端进行波前重构时候出现震荡，波前拟合出现很大的误差。通常对于异常点处理的方法是采用滤波的方法将异常值滤除，但是这样会产生两种问题，一部分高频的波前成分丢失，另外一个问题是产生测量矩阵的稀疏性，导致在波前拟合时候产生交叉耦合，导致波前重构误差变大。同时波前的测量是局部波前的平均，为了获得更多的细节，需要更小的尺寸，由于微透镜阵列加工的限制以及噪声的敏感性，使得测量比较困难。
目前有很多异常值的处理方法，在数据处理中，异常值又被称为离群点。现有的离群点检测方法有很多大致包括：1)基于深度的方法；2)基于分布的方法；3)基于密度的方法；4)基于距离的方法等等。对于基于SHWFS的波前传感器，由于微透镜阵列加工的限制在空间采样的是非常离散且数量有限的，每一个微透镜阵列的测量值是整个区域的平均，局部波前的变化，所以局部测量值的突变可能是由于波面的变化产生的，其本身是并非是噪声点。对于异常点的处理方法传统上有，直接滤波处理，即将异常值去除。另外一种是利用周围的测量点进行补偿，比如平均值填充，但是由于波前传感器局部的区域比较大，这样得到的补偿值可能与实际的波前偏差较大，并不能准确地反应实际的波面信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种透射波前检测系统和方法，以实现对微透镜更准确的检测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种透射波前检测系统，包括在光路上依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜、待测镜片托盘、扩束镜和波前传感器，以及与所述聚焦透镜相耦合用于驱动所述聚焦透镜沿光轴方向移动的第一驱动器，与所述待测镜片托盘相耦合用于驱动所述待测镜片托盘沿垂直光轴的XY方向平移的第二驱动器，与所述扩束镜相耦合用于驱动所述扩束镜沿光轴方向移动的第三驱动器。
进一步地：
所述激光器为单色半导体激光器。
所述激光器发出的光通过单模光纤耦合进入所述准直透镜。
在所述聚焦透镜与所述待测镜片托盘之间设置有针孔。
所述波前传感器为夏克哈特曼波前传感器。
还包括用于承载所述待测镜片托盘的移动平台，所述第二驱动器与所述移动平台相连，通过驱动所述移动平台沿垂直光轴的X Y方向平移来驱动所述待测镜片托盘平移。
一种透射波前检测方法，使用所述的透射波前检测系统对待测镜片进行检测，所述方法包括以下步骤：
A、在所述待测镜片托盘上放置待测透镜之前，通过所述第一至第三驱动器控制所述聚焦透镜、所述待测镜片托盘和所述扩束镜移动，进行波前调整、对焦，完成系统校准；
B、在所述待测镜片托盘上放置待测透镜，测量波前并记录波前斜率矩阵S1；
C、控制第三驱动器对所述扩束镜微位移k是由扩束镜的参数决定的放大系数，△是波前传感器的微透镜阵列中单透镜的长度，s取不小于4的值；
D、再次测量波前并记录波前斜率矩阵S2；
E、根据下式计算得到差分补偿的波前，实现对波前斜率矩阵S1中缺失的斜率元素的填充：
其中S1是波前斜率矩阵S1中的斜率元素，S1_是与S1相邻的斜率元素，S2是波前斜率矩阵S2中的斜率元素，S2_是与S2相邻的斜率元素。
还包括：以步骤E中计算的SA作为S1，再重复步骤C至步骤E，进行多次迭代。
步骤B中，放置待测透镜后，先控制所述第一驱动器微调所述聚焦透镜，使其尽可能接近待测镜片的最佳焦点，并所述第二驱动器微调所述待测镜片托盘，使待测镜片的光轴尽可能接近系统光轴，再进行波前测量。
步骤A包括：
控制所述第一驱动器，寻找关于所述聚焦透镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；控制所述第三驱动器，寻找关于所述扩束镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；
在所述待测镜片托盘的设定位置的镜片限位孔放上标准球，控制所述第一驱动器和所述第二驱动器来调整标准球的聚焦位置，寻找获得接近平面的波前时所对应的所述聚焦透镜和所述待测镜片托盘的位置。
本发明的有益效果：
本发明提供一种透射波前检测系统和方法，该透射波前检测系统通过设置3个驱动器，通过控制驱动器来控制微位移，可以很方便地实现波前的校准和波前调整，并按照本发明的测量方式进行波前测量。本发明的方法可在有限的采样空间对波前测量进行高阶补偿和缺失填充，从而提高微透镜检测的准确性。与传统检测技术相比，本发明可实现对波前的更加细致的差分，对于超出后端传感器(如CCD)的测量范围的非异常点，使用本发明的方法可以通过其差分波前数据对缺失点进行填充，同时对于非异常点实现高阶的差分补偿。由于传感器微透镜的加工工艺限制以及透镜孔径间隔抑制了分辨率，采样频率有限，且局部采样范围有限，而根据本发明的方法，经过局部的缩放差分，可实现有效补偿。
本发明通过透射式的波前差分，对测量值的缺失点可以基于高阶差分进行填充，与传统的直接滤波处理方式相比，能够改善测量系数矩阵的稀疏性，有效降低模态耦合的影响。本发明的方法还可以在一定程度上对测量数据实现有效平滑，从而满足测试对测试环境要求和测试稳定性的较高要求。
附图说明
图1为本发明一种实施例的透射波前检测系统结构示意图；
图2为本发明一种实施例的系统构造原理框图；
图3为本发明一种实施例的差分补偿原理示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1和图2，在一种实施例中，一种透射波前检测系统，包括在光路上依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜、待测镜片托盘、扩束镜和波前传感器，以及与所述聚焦透镜相耦合用于驱动所述聚焦透镜沿光轴方向移动的第一驱动器，与所述待测镜片托盘相耦合用于驱动所述待测镜片托盘沿垂直光轴的XY方向平移的第二驱动器，与所述扩束镜相耦合用于驱动所述扩束镜沿光轴方向移动的第三驱动器。本发明中，XY方向即为通常意义下的直角坐标系的X轴方向与Y轴方向。测量时，先通过所述第一驱动器至所述第三驱动器控制所述聚焦透镜、所述待测镜片托盘、所述扩束镜位移实现系统校准之后，再通过所述第三驱动器控制所述扩束镜进一步位移，根据所述扩束镜进一步位移之前和之后测得的波前测量数据，计算得到差分补偿的波前，从而对波前测量实现高阶补偿和缺失填充。
在优选的实施例中，所述激光器为单色半导体激光器。
在优选的实施例中，所述激光器发出的光通过单模光纤耦合进入所述准直透镜。
在优选的实施例中，在所述聚焦透镜与所述待测镜片托盘之间设置有针孔。
在优选的实施例中，所述波前传感器为夏克哈特曼波前传感器。
在优选的实施例中，透射波前检测系统还包括用于承载所述待测镜片托盘的移动平台，所述第二驱动器与所述移动平台相连，通过驱动所述移动平台沿垂直光轴的X Y方向平移来驱动所述待测镜片托盘平移。
参阅图1和图2，在另一种实施例中，一种透射波前检测方法，使用所述的透射波前检测系统对待测镜片进行检测，所述方法包括以下步骤：
A、在所述待测镜片托盘上放置待测透镜之前，通过所述第一至第三驱动器控制所述聚焦透镜、所述待测镜片托盘和所述扩束镜移动，进行波前调整、对焦，完成系统校准；
B、在所述待测镜片托盘上放置待测透镜，测量波前并记录波前斜率矩阵S1；
C、控制第三驱动器对所述扩束镜微位移k是由扩束镜的参数决定的放大系数，△是波前传感器的微透镜阵列中单透镜的长度，s取不小于4的值；
D、再次测量波前并记录波前斜率矩阵S2；
E、根据下式计算得到差分补偿的波前，实现对波前斜率矩阵S1中缺失的斜率元素的填充：
其中S1是波前斜率矩阵S1中的斜率元素，S1_是与S1相邻的斜率元素，S2是波前斜率矩阵S2中的斜率元素，S2_是与S2相邻的斜率元素。
还包括：以步骤E中计算的SA作为S1，再重复步骤C至步骤E，进行多次迭代。
步骤B中，放置待测透镜后，先控制所述第一驱动器微调所述聚焦透镜，使其尽可能接近待测镜片的最佳焦点，并所述第二驱动器微调所述待测镜片托盘，使待测镜片的光轴尽可能接近系统光轴，再进行波前测量。
步骤A包括：
控制所述第一驱动器，寻找关于所述聚焦透镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；控制所述第三驱动器，寻找关于所述扩束镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；
在所述待测镜片托盘的设定位置的镜片限位孔放上标准球，控制所述第一驱动器和所述第二驱动器来调整标准球的聚焦位置，寻找获得接近平面的波前时所对应的所述聚焦透镜和所述待测镜片托盘的位置。
以下结合附图进一步描述本发明的具体实施例和原理。
如图1至图2所示的透射波前检测系统，其主要光源是一个功率可调节的单色半导体激光器1，通光单模光纤2耦合进入准直透镜3，为了改善通过以上器件光束质量，在准直透镜3后加入聚焦透镜将光束聚焦到针孔5上，获得近似理想的较小的点光源，这个具有一定NA的点光源通过待测透镜，通过调节点光源与待测透镜10的距离可获得近乎平行的光束，为了充分利用波前探测器的有效区域，加入一个成一定倍率的扩束镜7，此时平行光经过扩束镜7扩束后达到夏克哈特曼波前传感器8。可通过采集卡将波前传感器8获得的光斑信号送入计算机进行波前的算法处理。
例如，待测镜片托盘可以通过第二驱动器驱动移动平台，实现XY方向的平移，将待测镜片移动到对焦位置，连续定位测量。扩束镜可通过第三驱动器的控制实现沿光轴方向的位移。由于扩束镜是将待测波前进行放大，所以改变放大倍率并不影响波前的实际形状。
一个实施例的具体检测过程包括：
先调整实现最佳聚焦位置，并测试光学系统的准直，基于波前系统波面进行系统校准(可采用理想标准球)，调整镜片限位孔位置实现校准。较佳地，在所述待测镜片托盘放置待测镜片之前，控制所述第一驱动器，寻找关于所述聚焦透镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；控制所述第三驱动器，寻找关于所述扩束镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；在所述待测镜片托盘的设定位置的镜片限位孔放上标准球，控制所述第一驱动器和所述第二驱动器来调整标准球的聚焦位置，寻找获得接近平面的波前时所对应的所述聚焦透镜和所述待测镜片托盘的位置。
经过前面的粗调后，在所述待测镜片托盘上放置待测透镜，较佳地，先控制所述第一驱动器微调所述聚焦透镜，使其尽可能接近待测镜片的最佳焦点，并所述第二驱动器微调所述待测镜片托盘，使待测镜片的光轴尽可能接近系统光轴，再进行波前测量；
测量波前并记录波前斜率矩阵S1；
控制第三驱动器对所述扩束镜微位移k是由扩束镜的参数决定的放大系数，△是波前传感器的微透镜阵列中单透镜的长度，s取不小于4的值；
再次测量波前并记录波前斜率矩阵S2；
根据下式计算得到差分补偿的波前，实现对波前斜率矩阵S1中缺失的斜率元素的填充：
其中S1是波前斜率矩阵S1中的斜率元素，S1_是与S1相邻的斜率元素，S2是波前斜率矩阵S2中的斜率元素，S2_是与S2相邻的斜率元素。本领域技术人员能够理解，此处所称的相邻的斜率元素，与传统的波前恢复方法中的区域法定义的相邻斜率元素具有同样的含义。
作为上述透射波前检测方法一种改进，其检测过程还包括：以步骤E中计算的SA作为S1，再重复步骤C至步骤E，进行多次迭代。
图3是使用本发明实施例的透射波前检测方法的差分补偿原理示意图，其中W1、W2表示空间波在空间不同位置的波形，△S1、△S2表示空间波局部采样位置处的斜率。
本发明的实施例通过透射式的波前差分，对测量值的缺失点可以基于高阶差分进行填充，与传统的直接滤波处理方式相比，能够改善测量系数矩阵的稀疏性，有效降低模态耦合的影响。本发明还可以在一定程度上对测量数据实现有效平滑，从而满足测试对测试环境要求和测试稳定性的较高要求。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种透射波前检测系统，其特征在于,包括在光路上依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜、待测镜片托盘、扩束镜和波前传感器，以及与所述聚焦透镜相耦合用于驱动所述聚焦透镜沿光轴方向移动的第一驱动器，与所述待测镜片托盘相耦合用于驱动所述待测镜片托盘沿垂直光轴的XY方向平移的第二驱动器，与所述扩束镜相耦合用于驱动所述扩束镜沿光轴方向移动的第三驱动器，所述激光器为单色半导体激光器，所述激光器发出的光通过单模光纤耦合进入所述准直透镜。
2.如权利要求1所述的透射波前检测系统，其特征在于,在所述聚焦透镜与所述待测镜片托盘之间设置有针孔。
3.如权利要求1所述的透射波前检测系统，其特征在于,所述波前传感器为夏克哈特曼波前传感器。
4.如权利要求1至3任一项所述的透射波前检测系统，其特征在于,还包括用于承载所述待测镜片托盘的移动平台，所述第二驱动器与所述移动平台相连，通过驱动所述移动平台沿垂直光轴的X Y方向平移来驱动所述待测镜片托盘平移。
5.一种透射波前检测方法，其特征在于,使用如权利要求1至4任一项所述的透射波前检测系统对待测镜片进行检测，所述方法包括以下步骤：
A、在所述待测镜片托盘上放置待测透镜之前，通过所述第一至第三驱动器控制所述聚焦透镜、所述待测镜片托盘和所述扩束镜移动，进行波前调整、对焦，完成系统校准；
B、在所述待测镜片托盘上放置待测透镜，测量波前并记录波前斜率矩阵S1；
C、控制所述第三驱动器对所述扩束镜微位移其中k是由扩束镜的参数决定的放大系数，△是波前传感器的微透镜阵列中单透镜的长度，s取不小于4的值；
D、再次测量波前并记录波前斜率矩阵S2；
E、根据下式计算得到差分补偿的波前，实现对波前斜率矩阵S1中缺失的斜率元素的填充：
其中S1是波前斜率矩阵S1中的斜率元素，S1_是与S1相邻的斜率元素，S2是波前斜率矩阵S2中的斜率元素，S2_是与S2相邻的斜率元素。
6.如权利要求5所述的透射波前检测方法，其特征在于,还包括：以步骤E中计算的SA作为S1，再重复步骤C至步骤E，进行多次迭代。
7.如权利要求5或6所述的透射波前检测方法，其特征在于,步骤B中，在放置待测透镜后，先控制所述第一驱动器微调所述聚焦透镜，使其尽可能接近待测镜片的最佳焦点，并所述第二驱动器微调所述待测镜片托盘，使待测镜片的光轴尽可能接近系统光轴，再进行波前测量。
8.如权利要求5至6任一项所述的透射波前检测方法，其特征在于,步骤A包括：
控制所述第一驱动器，寻找关于所述聚焦透镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；控制所述第三驱动器，寻找关于所述扩束镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；
在所述待测镜片托盘的设定位置的镜片限位孔放上标准球，控制所述第一驱动器和所述第二驱动器来调整标准球的聚焦位置，寻找获得接近平面的波前时所对应的所述聚焦透镜和所述待测镜片托盘的位置。
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