CN111256956A - 波前测量设备及波前测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种波前测量设备及波前测量方法，包括：波前补偿系统、控制系统以及检测系统；所述控制系统连接所述波前补偿系统和所述检测系统，所述控制系统控制所述波前补偿系统补偿输入波前，使所述波前补偿系统输出可被所述检测系统检测的波前。本发明直接对待测波前或器件的输出波前进行补偿，并检测补偿后的波前，而非模拟待测波前，将模拟的待测波前与待测波前进行干涉；波前补偿系统对输入的待测波前做补偿，将其补偿为接近平行光或球面波或已知的特定的波前，从而可被检测设备读取。
Description
技术领域
本发明涉及光学设备领域，具体地，涉及一种波前测量设备及波前测量方法。
背景技术
现有波前检测设备主要包括：夏克哈特曼传感器、横向剪切干涉仪、曲率波前传感器和波前分析仪，而波前检测设备局限很多，例如夏克哈特曼波前传感器等，只能检测接近平行光或球面波的波前，对于复杂的波前无法检测。
专利文献CN 108278977A公开了一种测量仪和一种测量方法，其中提供的测量仪，包括光发生模块、光信号接收模块、光路系统、控制模块和空间光调制模块。该光发生模块产生入射光束并将该入射光束经该光路系统传输至该空间光调制模块和待测物体。该空间光调制器接收第一调制信号和该入射光束，产生第一调制光束，并将其射入该光路系统。该光路系统接收该第一调制光束和参考光束，并传输至该光信号接收模块。该光信号接收模块生成测量数据并传输至该控制模块。该方案通过与待测面的波前干涉来检测面型。但其所涉及的是一种干涉仪，是通过模拟模拟待测器件波前并于实际器件波前相干涉的方式来实现检测，而非本发明中对输入的波前/待测器件的波前进行补偿，并直接检测补偿后的波前。
专利文献CN 109520712A公开了一种光学检测方法、系统及光学器件制造系统，包括：图像生成系统：生成测试图像信息，将含有所述测试图像信息的光输出至待测器件；图像检测系统：根据经过所述待测器件的光得到检测图像信息；控制系统：根据所述检测图像信息的成像质量，得到像差参数。通过补偿待测器件的缺失和/或缺陷，从而输出波前/成像。但其方案是通过对待测器件的输入输出波前进行补偿(补偿缺失部分或缺陷而非待测器件)使其模拟最终成像结果，从而检测待测器件的成像质量，与本发明的补偿输入或待测器件波前使其可被后续检测原理不同(波前检测不成像，输出的是平面波或球面波)，使用领域也不同，例如上述发明并不具备测量波前的功能，也无法检测待测器件面型等。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种波前测量设备。
根据本发明提供的一种波前测量设备，包括：波前补偿系统、控制系统以及检测系统；
所述控制系统连接所述波前补偿系统和所述检测系统，所述控制系统控制所述波前补偿系统补偿输入波前，使所述波前补偿系统输出可被所述检测系统检测的波前。
优选地，所述波前补偿系统包含空间光调制器。
优选地，所述空间光调制器使用纯相位调制的硅基液晶或液晶器件和/或透射式的相位调制液晶器件。
优选地，所述波前测量设备还包括光源系统。
优选地，所述波前测量设备还包括光学耦合系统，设置于所述波前补偿系统前端和/或所述波前补偿系统和所述检测系统之间。
优选地，所述光学耦合系统包含滤波系统。
优选地，所述光学耦合系统包含透镜。
优选地，所述光学耦合系统包含分光和/或合光器件，将光源发出的光束分为多个部分，一部分输入待测器件后被补偿系统补偿，另一部分作为参考光与补偿系统输出的光波前合路后输入检测系统。
优选地，所述检测系统包含CCD和/或CMOS。
优选地，所述检测系统通过检测干涉条纹的方式来实现检测。。
优选地，所述检测系统采用微透镜阵列+CCD/CMOS。通过微透镜阵列中每一微透镜对应的像素阵列的能量分布来实现波前的检测，类似夏克哈特曼波前传感器原理。
优选地，所述控制系统通过对光学系数(例如待测器件或待测波前对应的光学系数)、预设的相位分布、空间光调制器现有的相位分布、检测系统得到的相位分布和光学系统参数的至少其中之一来计算输出到空间光调制器的波前补偿/相位分布。
优选地，所述光学系数包括：zernike系数、seidel系数的至少其中之一。
优选地，所述控制系统根据检测系统得到的光学参数和预设的阈值之间是否满足设定的数学关系来判断检测结果。
优选地，所述控制系统根据检测到的光学参数调整输出到空间光调制器的波前补偿/相位分布，直到得到符合测量要求的检测结果。
优选地，所述检测系统根据测得数据输出光学系数和/或光波前的相位和/或强度分布。
优选地，所述控制系统根据检测结果计算出待测波前/器件对应的光学参数，所述光学参数包括MTF、PSF、LSF、像差数值的至少其中之一。
优选地，所述检测设备还包括上料系统，所述上料系统包含可移动的机械平台、气吸设备、视觉检测设备的至少其中之一。
优选地，所述控制系统根据上料误差控制波前补偿系统做波前补偿。
根据本发明提供的一种波前测量方法，采用上述的波前测量设备进行波前测量；
通过所述控制系统控制所述波前补偿系统补偿输入波前，使所述波前补偿系统输出可被所述检测系统检测的波前。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明直接对待测波前或器件的输出波前进行补偿，并检测补偿后的波前，而非模拟待测波前，将模拟的待测波前与待测波前进行干涉；波前补偿系统对输入的待测波前做补偿，将其补偿为接近平行光或球面波或已知的特定的波前，从而可被检测设备读取。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明实施例1的第一种实现方式；
图3为本发明实施例1的第二种实现方式；
图4为本发明实施例1的第三种实现方式；
图5为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种波前测量设备，用于检测光波前，包括波前补偿系统，所述波前补偿系统是动态的SLM空间光调制器(例如相位调制的硅基液晶器件，也可以是光栅，特制的光学透镜等)波前补偿系统对输入的待测波前做补偿，将其补偿为接近平行光或球面波或已知的特定的波前，从而可被检测设备读取。控制系统根据波前补偿系统的参数设置和/或检测系统的结果计算分析得出待测波前(例如波前的相位分布，或用zernike或seidel等多项式来表述)。
所述设备还可以包括耦合系统，例如空间滤波器(可以是设置在特定位置的特定尺寸的光阑)，将超过空间光调制器对应空间带宽积极限的信号滤除。还可以包含透镜系统(例如4f系统)，对输入的待测波前进行缩放(放大/缩小波前的发散角度，同时缩小/放大输入波前对应光斑的尺寸)，从而使其和空间光调制器的尺寸/角度调节能力匹配。所述设备中可以包含多套上述透镜系统，供在测量不同的波前或待测器件时选择使用相匹配的透镜系统。
所述设备还可以包含光源。当待测的为某一光学器件(本身不包含光源时)，可以用设备的光源来对其进行照明，生成待测波前，并最终通过对待测波前的测量分析，来得出待测器件的参数。一般此测量设备的光源可使用单色准直光源，例如平行光(点光源加入准直镜、平行光管等)，或点光源(激光光源、光纤光源、经过特定大小针孔过滤的光源等)。
所述检测系统包含CCD或CMOS，可以使用相干的方式进行测量，例如光源经过分束，一束输入待测器件，然后经过波前补偿系统后输出至合路器，另一束输入一参考面(例如平面反射镜、球面反射镜、或特定参考面)，之后输出至合路器，经合路器合路后在CCD/CMOS上形成干涉条纹，控制系统根据参考面的波前及干涉条纹计算待测器件经补偿后的波前，再根据补偿系统的补偿参数即可得出待测器件输出的波前。
所述检测系统包含CCD或CMOS，也可以使用波前传感器进行测量(例如夏克哈特曼波前传感器)，此时在CCD/CMOS前加入微透镜阵列，由于经过补偿系统补偿，原先不满足测量条件的波前被补偿后已接近平行光或球面波等可被波前传感器测量的波前，从而可以被测量。
控制系统包含控制逻辑、通过补偿系统搜索，接近目标干涉条纹，或目标波前，从而根据补偿系统对应的参数设计得出待测波前。所述逻辑也可以采取迭代的方式逼近可被检测系统测量的波前或检测系统设定的目标值，从而得出待测波前的参数。
一种波前测量方法，采用上述的波前测量设备进行波前测量，通过所述控制系统控制所述波前补偿系统补偿输入波前，使所述波前补偿系统输出可被所述检测系统检测的波前。
实施例1
一种波前传感器，包含波前补偿系统，控制系统和检测系统，如图4所示。
其中波前补偿系统使用ECB封装的纯相位硅基液晶反射式空间光调制器(SpatialLight Modulator,SLM)，分辨率为1920x1080，像素点大小6.4um。
所述传感器还包括耦合系统，所述耦合系统包括耦合透镜，使用4F透镜系统1，两组透镜的焦距分别为50mm和10mm，能对输入的待测波前进行5倍的缩放(待测波前的输入面可以设置在4F透镜系统1对应的第一组透镜的前焦点上，而SLM设置在4F透镜系统1对应的第二组透镜的后焦点上，这样后续可以简化或省去对于波前在空间中传播的计算)，此外，设备中可以包含多组不同焦距透镜组合的4F透镜系统，根据输入波前的不同参数进行切换，以匹配波前补偿系统的数值孔径NA。
所述耦合系统还包括分光棱镜(BEAM SPLITTER，BS),输入的待测波前入射BS后反射至波前补偿系统，被SLM调制后的光波前反射回BS并从BS的另一表面出射，再经过一组4F透镜系统2和光阑后输入检测系统，此处两组透镜焦距为1：1，例如都为50mm，(也可以采用其它焦距比例的组合，从而匹配调制光波前与后续检测系统的孔径)，此例中可以使4F透镜系统2的第一组透镜的前焦点与4F透镜系统1的第二组透镜的后焦点重合，即SLM可以同时设置在4F透镜系统1的第二组透镜的后焦点及4F透镜系统2的第一组透镜的前焦点上(这样可以简化或省去后续对于光波前在空间传播的计算)，在4F透镜系统2的第一组透镜后焦点上(此例中为4F透镜组2中第一组透镜光学中心后50mm处)设置光阑(起空间滤波作用)，光阑孔径根据SLM的像素点大小及分辨率计算，将超出SLM调制能力的高频信号滤除。
所述耦合系统中还可以包含偏振片，将输入的光波前过滤为特定方向的线偏振光，使其可以更好的被补偿系统调制。
所述检测系统使用夏克哈特曼(Shack Hartmann)波前传感器，其在CCD/CMOS传感器前装有微透镜阵列，可以检测接近平面波的光波前。
控制系统根据输入计算出初始的补偿波前(也可以是根据默认的波前，例如特定焦距的理想透镜)输出至SLM，并同步检测系统检测，判断是否能够准确输出待测波前的检测结果(例如判断依据可以设置为波前传感器所测得数据为zernike系数小于一定值的平面波)，若是则输出检测结果(例如SLM的补偿系数计入波前传感器测得的波前参数即为待测波前的参数)，若否则根据波前传感器的数据重新计算调整SLM的补偿波前。
输入的波前为对应待测镜头或镜组的某一视场的平行光或点光源(可以是单色光，例如激光光源或经过滤波片的其它光源，可以是待测镜头或镜组自带的光源，也可以是检测设备包含光源)经过待测镜头或镜组后的波前。
控制系统可以根据待测镜头或镜组的理论设计值给出初始的波前补偿参数，初始的波前补偿参数也可以是系统默认的波前(例如平面波或特定的球面波)。所述波前补偿参数生成的补偿波前分布输出到波前补偿系统(此例中为基于硅基液晶的纯相位空间光调制器)，输入的波前经过空间光调制器补偿后经耦合系统(高频滤波，将超过空间光调制器调制能力的高频信号滤除)，输出到检测系统(此例中为夏克哈特曼波前传感器)，由于夏克哈特曼波前传感器只能检测接近平行光的光波前，对于超出范围的光波前的检测将会输出错误的检测信息，所以此例中可以设定检测到的光波前的zernike系数或seidel系数或波前分布的PV值小于某一阈值，否则控制系统调整补偿系统的波前补偿参数，此例中即改变空间光调制器上的相位分布。上述调整可以是根据检测系统获得的检测数据来重新计算的补偿参数，也可以是根据预设的参数进行补偿参数的搜索，或者是上述两种方法的结合。直到检测系统检测到的zernike系数或seidel系数或波前分布的PV值小于所设阈值。此时可以终止当前检测，输出根据补偿系统的补偿参数(还可以结合波前传感器上的检测参数)得到待测波前的参数。
所述控制系统可以是个人电脑或工控机，也可以专用电路，例如包含CPU、DSP、FPGA、CPLD、NPU、ASIC等芯片的至少其中之一。还可以包含ROM、RAM、FLASH、光盘、磁盘等存储器件。
上述实施例中，波前补偿系统也可以使用透射式的空间光调制器，例如ECB或VA模式封装的LCD器件。使用透射器件的好处是光路中可以无需使用BS，从而简化耦合系统的设计，如图2或图3所示。
上述实施例中，检测系统也可以自带光源，例如使用特定波段的LED加窄带滤波片，还可以加入准直系统(例如平行光管、或小孔加准直透镜等方案)，当待测器件本身具有光源，能够自主输出待测波前时可以不使用设备自带的光源，而当待测器件本身不带光源时，可以使用检测系统自带的光源来实现平面波或球面波(小孔不加准直透镜，光纤激光等)输入待测器件。
所述待测器件可以是透射的器件(例如透镜，透镜组/群，完整或非完整的镜头等)，也可以是反射式的器件(例如球面，非球面，自由曲面反射镜，棱镜等)，也可以是包含同时透射和反射式元器件的光学系统(例如AR/VR中常用的birdbath系统)，或者也可以是阵列波导、衍射波导等器件。
所述检测系统还可以包含上料系统，所述上料系统使用可X、Y方向2轴移动的机械平台(也可使用更多轴移动的平台，例如3轴或6轴)，待测器件通过工装制具固定在平台上，检测时平台将待测器件移动至待测位置，待系统检测完毕后平台再次平动，将下一个待测器件移动至待测位置，从而实现快速检测。
所述上料系统还可以包含气吸系统，通过抽吸的方式将待测器件精确定位在待测位置(例如z轴方向达到3um以上的位置精度)。或者还可以包含气吹系统，用于对待测器件的上料位置进行调整。
所述上料系统还可以加入视觉定位系统，例如数码电子显微镜，从而可以测量上料系统的位置误差(X、Y、Z轴平动方向或U、V、W角度误差)，并且将上述误差输出，通过上料系统的机械平台或气吸系统进行补偿，也可以通过波前补偿系统模拟(SLM模拟待测器件存在上料误差时的波前)，或者上料系统补偿结合波前补偿系统来补偿上料误差。
实施例2
一种波前传感器，包含控制系统、波前补偿系统、检测系统、耦合系统，如图5所示。
所述波前传感器中的波前补偿系统与实施例1相类似，采用可动态调制的空间光调制器。
系统中的检测系统使用相干的方式检测。系统中包含光源，使用520nm激光器，其偏振方向设置与空间光调制器的调制方向一致。
系统中还包括耦合系统，由准直镜，数块分光棱镜，及缩放透镜组组成。光源发出的光经过准直镜(或平行光管)后成为平面波(或者是经一定透镜调制为光学参数已知的波前，其可以被空间光调制器准确补偿)。然后所述准直照明光被分光棱镜1分为两部分，第一部分输入待测器件(可以是完整或非完整的透镜组或镜头，或反射镜，波导器件，光栅及上述器件组合形成的系统等)，所述输入光可以以一定的角度或从一定位置输入待测器件，从而模拟特定视场的输入光，经待测器件后入射分光棱镜2，经分光棱镜2导入空间光调制器，其波前被空间光调制器补偿后输出，再次经过分光棱镜2后输入滤波光路(可以由4F系统及光阑组成)，滤除超出空间光调制器调制范围的高频信号，然后输入分光棱镜3(起合光作用)。第二部分光波前经分光棱镜4及反射镜反射后输入分光棱镜3，与第一部分光波前合路后在传感器上形成干涉条纹，从而可以被检测。此处分光棱镜4及反射镜(可以镀一定反射率的薄膜)的作用主要是使第二部分光波前经过的光程与第一部分光波前在耦合光路中的光程一致且光强的衰减也基本一致，排除光路本身对波前造成的影响，从而空间光调制器只需要补偿待测器件造成的波前变化即可。当然也可以直接使用45度设置的平面反射镜来替代分光棱镜4和所述反射镜，但此种设置需要空间光调制器和/或控制系统对干涉条纹的检测结果做处理来补偿两路光所经历光程不同造成的影响，以及强度不同造成的影响。
此合路系统中还可以在光路中任意位置加入缩放系统，例如待测器件和分光棱镜2之间还可以加入4F透镜组，用以匹配待测器件输出的光波前与空间光调制器的孔径。
所述反射镜也可以使用球面反射镜或特定的面型(非球面，自由曲面等)，作为参考面来和经过空间光调制器补偿的待测器件输出波前做相干检测。
所述检测系统使用CCD或CMOS图像传感器，直接记录两束光形成的干涉条纹，并将结果输出至控制系统。
控制系统根据输入计算出初始的补偿波前(也可以是根据默认的波前，例如特定焦距的理想透镜)输出至SLM，并同步检测系统检测，判断是否能够准确输出待测波前的检测结果，所述判断是对于检测系统得到的干涉条纹数据做处理，若得到的两束光波前的误差小于一定的数值(阈值)，则可以根据参考光束(第二部分光经已知面型反射镜调制后的光波前)以及空间光调制器的补偿数据来得出待测器件的输出波前分布(相位分布，或zernike，seidel等光学系数)。若两束波前的误差大于所设阈值，为保证检测准确性，可以重新计算空间光调制器的补偿参数(可以根据前步骤中测得的干涉条纹来计算)，或者也可以采用穷举搜索等方法(例如模拟待测器件存在某种缺陷，或者模拟待测器件的上料位置存在一定偏差)，或者也可以采取上述方法的结合。重复上述检测步骤直到得到符合检测要求的结果为止(或者也可以是经过一定次数的搜索或补偿仍无法得到符合要求的结果，则可以判断待测器件为次品)。
所述控制系统计算波前补偿时还可以计入光学系统的参数，例如光波前传播的距离，透镜及其它光学器件等带来的波前变化(4F系统往往是对光波前进行一定比例的缩放)，以及系统误差带来的影响，例如空间光调制器本身平面度的影响(可以通过相位补偿来减小或消除上述误差的影响)。
所述设备中还可以包含实施例1中所述的上料系统。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (20)
1.一种波前测量设备，其特征在于，包括：波前补偿系统、控制系统以及检测系统；
所述控制系统连接所述波前补偿系统和所述检测系统，所述控制系统控制所述波前补偿系统补偿输入波前，使所述波前补偿系统输出可被所述检测系统检测的波前。
2.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述波前补偿系统包含空间光调制器。
3.根据权利要求2所述的波前测量设备，其特征在于，所述空间光调制器使用纯相位调制的硅基液晶或液晶器件和/或透射式的相位调制液晶器件。
4.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述波前测量设备还包括光源系统。
5.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述波前测量设备还包括光学耦合系统，设置于所述波前补偿系统前端和/或所述波前补偿系统和所述检测系统之间。
6.根据权利要求5所述的波前测量设备，其特征在于，所述光学耦合系统包含滤波系统。
7.根据权利要求5所述的波前测量设备，其特征在于，所述光学耦合系统包含透镜。
8.根据权利要求5所述的波前测量设备，其特征在于，所述光学耦合系统包含分光和/或合光器件，将光源发出的光束分为多个部分，一部分输入待测器件后被补偿系统补偿，另一部分作为参考光与补偿系统输出的光波前合路后输入检测系统。
9.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述检测系统包含CCD和/或CMOS。
10.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述检测系统通过检测干涉条纹的方式来实现检测。
11.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述检测系统采用微透镜阵列+CCD/CMOS。
12.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述控制系统通过对光学系数、预设的相位分布、空间光调制器现有的相位分布、检测系统得到的相位分布和光学系统参数的至少其中之一来计算输出到空间光调制器的波前补偿/相位分布。
13.根据权利要求12所述的波前测量设备，其特征在于，所述光学系数包括：zernike系数、seidel系数的至少其中之一。
14.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述控制系统根据检测系统得到的光学参数和预设的阈值之间是否满足设定的数学关系来判断检测结果。
15.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述控制系统根据检测到的光学参数调整输出到空间光调制器的波前补偿/相位分布，直到得到符合测量要求的检测结果。
16.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述检测系统根据测得数据输出光学系数和/或光波前的相位和/或强度分布。
17.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述控制系统根据检测结果计算出待测波前/器件对应的光学参数，所述光学参数包括MTF、PSF、LSF、能量分布、像差数值的至少其中之一。
18.根据权利要求1所述的波前测量设备，其特征在于，所述检测设备还包括上料系统，所述上料系统包含可移动的机械平台、夹持设备、气吸设备、视觉检测设备的至少其中之一。
19.根据权利要求18所述的波前测量设备，其特征在于，所述控制系统根据上料误差控制波前补偿系统做波前补偿。
20.一种波前测量方法，其特征在于，采用权利要求1至19任一项所述的波前测量设备进行波前测量；
通过所述控制系统控制所述波前补偿系统补偿输入波前，使所述波前补偿系统输出可被所述检测系统检测的波前。
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