CN113218630B - 光学检测方法、系统及光学器件制造系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供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。本发明可以模拟任意波前，根据补偿镜头中尚未装配的镜片，可以直接模拟出已装配的镜片能够达到最终成像效果，若发现存在问题，则可以直接给出反馈停止装配进行修正，避免将后续好的镜片装配到已存在问题的镜头上。
Description
本申请是以下原申请的分案申请：
原申请的申请日：2018年12月03日
原申请的申请号：201811468152.9
原申请的发明创造名称：光学检测方法、系统及光学器件制造系统
技术领域
本发明涉及光学检测领域，具体地，涉及光学检测方法、系统及光学器件制造系统。
背景技术
经检索，专利文献CN207976139U公开了一种可变物距光学检测装置，用以检测一待测光学装置，其中，可变物距镜头影像模块的位移改变模块，连接于望远镜头模块的该些镜头或影像感测器，用以调整该些镜头间的一镜头间距离、影像感测器与望远镜头模块间的一像距、或该镜头间距离及该像距的组合。现有技术的不足之处在于，镜头影像模块仅可以改变物距镜头的位置，无法对波前进行相应的模拟，能够适用的被测试器件的种类较少，且通用应用范围较窄。
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光学检测方法、系统及光学器件制造系统。
根据本发明提供的一种光学检测系统，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：计算或选取测试图像信息，并输出至图像生成系统。
优选地，所述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。
优选地，所述控制系统包括：
标准判断系统：判断检测参数是否满足判断标准；若满足判断标准，则输出检测结果；否则，则根据当前的像差参数得到补偿参数，并将补偿参数叠加到当前的测试图像信息上进行补偿，由图像生成系统生成补偿后的测试图像信息。
优选地，所述测试图像信息包括调制波前的全息图或者相息图。
优选地，所述测试图像信息占待测器件目标像高的全部或部分；和/或，所述测试图像信息占待测器件目标视场的全部或部分。
优选地，所述图像生成系统分别生成包含设定波前调制的测试图像信息，对应待测器件目标像高的不同部分，和/或目标视场的不同部分；并且所述测试图像信息以不同参数和/或针对对象先后输出多次。
优选地，所述图像生成系统包括至少一个空间光调制器。
优选地，所述多个空间光调制器中具有相位空间光调制器和/或强度空间光调制器。
优选地，所述空间光调制器包含硅基液晶、LCD、微镜阵列DMD、OLED、微振镜、光栅、光栅阵列中的任一种或任多种器件。
优选地，所述硅基液晶器件采用相位调制方式.
优选地，所述硅基液晶器件采用ECB或VAN模式。
优选地，所述图像生成系统包括光源、透镜、光阑、旋光片、玻片、偏振片、棱镜中的任一种或任多种光学元器件。
优选地，所述光源包含至少一个或多个波长。
优选地，所述图像检测系统包括CCD、CMOS、胶片中的任一种或任多种成像器件。
优选地，所述控制系统控制并同步图像生成系统及图像检测系统。
优选地，所述控制系统根据所得输入图像和/或波前信息，以实时计算或者读取检测图像信息，输出至所述图像生成系统，所述图像生成系统在物理上生成所述检测图像信息，调制出所需光波前和/或光场。
优选地，所述控制系统根据所述图像检测系统的反馈进行所述实时计算或者读取。
优选地，所述判断标准包括如下任一种或任多种标准：
光学镜头的设计指标参数；
检测的次数；
检测的时间；
精度值。
优选地，所述检测结果包括：相同视场下的MTF、不同视场下的MTF、像差参数、色差参数、焦距中的任一种或任多种参数。
根据本发明提供的一种光学检测方法，生成测试图像信息并在测试图像信息中加入波前补偿。
优选地，所述波前补偿用于补偿被测器件中存在的像差。
优选地，所述波前补偿用于补偿被测器件中缺失的部件。
优选地，所述波前补偿通过获得设定传播至待测器件表面、系统出入瞳或者系统光阑位置的波前，并使用图像生成系统模拟所述波前来实现。
优选地，通过将图像逆向传播所述波前至图像生成系统、系统出入瞳或者系统光阑位置来计算所述波前。
优选地，像差包括：球差、彗差、像散、离焦、色散、场曲、畸变、高阶像差中的中任一种或任多种类型。
优选地，波前补偿采用zernike多项式和/或seidal多项式计算。
优选地，采用傅里叶变换、傅里叶逆变换、菲涅尔变换、菲涅尔逆变换、空间角频谱传播中的任一种或任多种方式来计算生成所述波前对应图像的传播。
优选地，采用将波前补偿与所述测试图像传播的波前叠加来生成全息图或者相息图。
根据本发明提供的一种光学器件制造系统，包括所述的光学检测方法。
优选地，包括光学器件移动系统，中，所述光学器件移动系统根据经过所述待测器件的光得到检测图像信息的成像质量，对光学器件进行平动和/或转动。
优选地，包括光学器件加工系统，其中，所述光学器件加工系统根据经过所述待测器件的光得到检测图像信息的成像质量，对光学器件进行加工。
优选地，所述光学器件加工系统包括点胶系统和/或曝光系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过图像生成系统的空间光调制器能够生成任意波前，可以模拟任意的透镜或光学表面；
2、本发明能够检测整个镜头(一组透镜)，可以模拟镜头中尚未被组装的镜片，在装配过程中实现装配一片镜片检测是否装配正确的功能；
3、本发明在镜头装配的应用中，一方面可以模拟任意波前，以对装配过程中的位置进行检测调整，尤其是本发明根据补偿镜头中尚未装配的镜片，可以直接模拟出已装配的镜片能够达到最终成像效果，若发现存在问题还可以根据像差的情况分析造成上述问题的可能的原因(例如已装配的镜片存在缺陷，比如面型错误，折射率错误等)，可以直接给出反馈停止装配进行修正，避免将后续好的镜片装配到已存在问题的镜头上，从而提高成品率，降低废品。
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为本发明提供的光学检测系统的框架结构示意图。
图中示出：
图像生成系统1
光束耦合器件2
光源3
图像检测系统4
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。
所述图像生成系统，采用基于纯相位调制的硅基液晶空间光调制器，520nm的激光器；
所述待测器件，为光学镜头；
所述图像检测系统，使用CCD图像传感器；
所述控制系统，使用PC机及FPGA或ASIC芯片。
使用时，将待测器件的光学镜头放入光路，空间光调制器生成一测试图像信息(例如内容是MTF线对测试图，分划图案等)，控制系统可以通过计算将其转换为全息图或者相息图信息(检测图像信息)，输出至空间光调制器，激光光源照射空间光调制器后，空间光调制器将含有测试图像信息的光输出至待测器件的光学镜头，经过待测器件的光学镜头后在CCD图像传感器上成像(MTF线对，分划等)，得到检测图像信息。
控制系统读取CCD图像传感器上的检测图像信息，使用图像算法，根据成像质量得到像差参数，并判断像差参数是否满足判断标准(例如光学镜头的设计指标参数，或检测的迭代次数)，若满足判断标准，则直接输出检测结果(例如光学镜头本身的参数以及像差参数，或者是否合格等)。
若不满足判断标准，则使用当前的预估像差参数，根据zernike或seidal多项式生成新的补偿相位，并叠加至当前的测试图像信息进行补偿，计算后输出至空间光调制器，然后空间光调制器生成补偿后的测试图像信息，光源照射空间光调制器以输出含有补偿后的测试图像信息的光至待测器件，CCD图形传感器再次检测后，控制系统得到新的预估像差参数，并再次判断是否满足判断标准。如此循环迭代，直至达到判断标准为止。最终控制系统输出所测光学镜头的检测结果，其中，所述检测结果包括待测器件的光学参数或像差参数等参数。
上述步骤中判断标准也可以只是简单的是否合格，而无需给出其它参数，无论器件是否合格都会结束流程，开始新的器件检测。
上述过程中，所述的判断标准可以是某一个或几个光学参数指标，例如MTF值，各视场下的MTF，焦距等。当光学镜头中存在像差时，初始的测试图像信息(例如使用黑白线对)将无法满足MTF指标，则控制系统可以根据拍摄到的检测图像信息来分析是否满足MTF要求，并且根据检测图像情况来判断像差的情况，给出像差参数，例如检测图像信息经过算法处理后发现X方向图像线对较为清晰，Y方向则较为模糊，存在疑似像散的像差，则可以根据zernike多项式补偿像差，生成新的相位在叠加到原测试图像上(例如在空间光调制器的平面上原测试图像的相息图点乘以ei2πsy2的相位分布，其中s为系数，与入射波长、空间光调制器的像素点大小、像散本身的严重程度等相关，y为坐标)并生成新的测试图像。再次拍摄到测试图像后可以与上一次或上几次的检测测试图像做对比，分析像差变化情况(变差或变好)，再次计算像差参数，并输出，如此循环迭代，直至拍摄图像中X方向、Y方向上的线对不存在可测的清晰度区别或两个方向上都能满足MTF的判断标准，此时就可以判定当加入了相应的像散系数补偿像散后，系统中不存在像散，则可以输出待测器件的光学镜头中存在像散像差的定量数值。当然，镜头中还可能同时存在其它像差，例如球差，彗差等，此时可以根据情况按上述步骤一一校正并输出。当然也可以采取将常规像差全部罗列(穷举)的方法，一一改变每一像差参数，根据拍摄的检测图像的像质变换判断光学镜头中是否存在所测像差及其定量分析。
具体实施中，也可以给出待测器件的初步参数，控制系统根据相关参数生成初始的测试图像，从而可以减少迭代次数。
测试图像可以根据如下方法生成：1.选择合适的目标测试图像(例如线对，不同视场的十字分划等)2.将目标图像虚拟的设置在空间光调制器后一定的距离上(例如无穷远)，并根据需要加入一定相位分布(例如初始可以是随机相位)，计算上述图像传播至空间光调制器后的光场分布(无穷远距离可以使用傅里叶/傅里叶逆变换，一定距离的传播则可以使用菲涅尔变换或空间角频谱传播等方式计算)3.在空间光调制器所在的平面上将需要的补偿参数(可以根据zernike多项式生成，多项式的参数可以通过zemax等软件得出，用于补偿像差和/或模拟特定光学器件)叠加在步骤2中生成的光场分布上(相位的点乘，等效于复指数的相加)。
测试图像的另一种计算方法是获取设计时输入到待测器件表面的波前和/或待测器件输出的光波前(例如可以从zemax等光学设计软件的设计文件中获取)，将所述光波前逆传播/反向传播至空间光调制器可以使用傅里叶/傅里叶逆变换，一定距离的传播则可以使用菲涅尔变换或空间角频谱传播等方式(或者也可以将空间光调制器直接设置在所获取的光波前的面上从而无需传播，或者也可以通过zemax等软件读取相应zernike系数而非光波前)，从而获得空间光调制器上需要模拟的光场分布/全息图。
上述方法中，可以根据空间光调制器的类型在步骤3之后或获得空间光调制器表面光场分布之后再加入步骤4输出实际供空间光调制器调制用的全息图/相息图。所述步骤4是将计算获得的光场分布离散化的步骤。例如当使用单片纯相位调制的空间光调制器时，可以将光场分布的强度信息丢弃，将相位信息离散化输出，也可以通过迭代等方法优化相位分布，减少丢弃强度及相位离散化过程中产生的误差和噪声(例如使强度分布均匀化)。当使用多块空间光调制器时则可以一块调制强度，一块调制相位(此时可以省略步骤2，因为图像已通过强度空间光调制器实际显示在特定位置，无需计算其传播)；或者两块都调制相位，但通过双相位合成的方法还原强度和相位，从而不丢弃强度，实现更好的图像质量。
上述实施例中还可以包括其它光学器件，例如分光棱镜来将光束耦合入光路，其它透镜准直光源发出的光或再次调制空间调制器输出的光(例如放大缩小光束角度等)
上述实施例的光源还可以增加其它波段，例如增加450nm蓝光，650nm红光激光器，通过耦合器件(例如X棱镜，二项色镜子，光纤等)耦合入光路，则所述设备可以同时测量不同波段时待测器件的相应参数，从而得出色差等参数。
上述设备还可以用于光学器件的装配过程中。例如在一个具有5片透镜的镜头装配过程中，第一和第二片镜片胶合后，可以在上述设备中控制系统根据设计文件模拟后续尚未装配的镜片对光场的理想调制，将其输出到两片已组装的镜片上，然后将测试图像输出至检测系统，判断已组装的镜片/镜片组是否满足要求，比如每片镜片是否合格，装配是否存在问题(比如偏心，胶层厚度不均等问题)。依次每组装一片或几片做一次检测，当出现问题时就可以立即纠正或终止装配过程，从而避免现在只有等所有镜片都组装完毕后才能整体测试的情况，可以提高成品率，降低装配过程中的损耗。以对已装配的镜片的位置纠正调整为例，镜片每调整一次位置就检测一次，以此进行迭代，在每次迭代的过程中，检测图片信息可以不变，也可以进行变化以提高检测精度。
此外，对于一些情况下(例如待测器件参数未知)，空间光调制器可能难以用一种波前分布来测试和校正镜头(或组装所有镜片的镜头)所有参数下的像差，此时可以使用多张全息图(多种波前分布)，每张对应待测镜头的部分参数范围，在时间上分别输出的方式来实现更好的测试与校正。例如对于不同的视场(例如全视场范围为-50至50°往往MTF参数会不同，此种情况下也可以采用先测试补偿中心视场(例如-5至5°范围)的像差，即生成的全息图(波前)只包含中心视场图案并做校正测试。待完成中心视场后测试校正后再对下一级的视场(例如-10至-5°，5至10°)做测试校正，依次类推，直至完成全部视场范围的测试校正。
在实际应用中，存在空间光调制器的空间带宽积(拉格朗日不变量)与待测器件不匹配的现象，当空间光调制器的空间带宽积小于待测器件时，可能会产生模拟的光波前无法覆盖待测器件使用的全部像高或视场的情况。而重新设计空间光调制器往往成本高昂。
为了解决这一问题，一种方法是可以将系统设计成只测试待测器件部分视场或像高区域，例如一个待测器件的设计使用视场为-30°至30°，则可以使空间光调制器模拟只包含0～30°的视场输入的光波前，由于许多光学器件具有对称性，这类做法往往不会影响实际测试结果。或者也可以在夹持待测器件的夹具上设计可旋转或移动的系统，从而实现对待测器件的旋转或移动。例如此例中将待测器件旋转180°，即可获得对-30～0°视场的测量结果。
此外，解决已有的空间光调制器的空间带宽积小于待测器件这一问题的另一种办法是使用多块空间光调制器或多套空间光调制器系统来实现视场或像高的拼接，从而实现更大的空间带宽积。例如将两块空间光调制器平行并列放置，使用一个或多个光源同时或分别照射它们，就可以实现单片空间光调制器两倍的空间带宽积。
此外，还可以在设备里加入温控和/或湿度控制系统，从而提高设备的可靠性、稳定性及适用性。
此外，还可以在设备里加入能够对待测器件进行加工的系统，从而将设备变为融加工及检测一体的仪器。例如在夹持待测器件的机构中加入旋转和/或气吹类部件，在上述镜头中自动装入另一片需要被组装的镜片，控制系统根据像差等信息控制镜片移动。还可以加入点胶及紫外曝光等部件，先完成点胶工作，然后当器件移动到合适位置时对其曝光固化，从而完成镜片的胶合。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
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 (34)
1.一种光学检测系统，其特征在于，包括：
图像生成系统：生成测试图像信息并在测试图像信息中加入波前补偿，将含有所述测试图像信息的光输出至待测器件；其中，所述波前补偿用于补偿被测器件中已装配光学器件存在的像差；
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：计算和/或选取所述测试图像信息，输出至图像生成系统。
2.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，所述控制系统，根据所述检测图像信息的成像质量，得到像差参数。
3.根据权利要求2所述的光学检测系统，其特征在于，所述控制系统包括：
标准判断系统：判断检测参数是否满足判断标准；若满足判断标准，则输出检测结果；否则，则根据当前的像差参数得到补偿参数，并将补偿参数叠加到当前的测试图像信息上进行补偿，由图像生成系统生成补偿后的测试图像信息。
4.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，所述测试图像信息包括调制波前的全息图或者相息图。
5.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，所述测试图像信息占待测器件目标像高的全部或部分；和/或，所述测试图像信息占待测器件目标视场的全部或部分。
6.根据权利要求4所述的光学检测系统，其特征在于，所述图像生成系统分别生成包含设定波前调制的测试图像信息，对应待测器件目标像高的不同部分，和/或目标视场的不同部分；并且所述测试图像信息以不同参数和/或针对对象先后输出多次。
7.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，所述图像生成系统包括至少一个空间光调制器。
8.根据权利要求7所述的光学检测系统，其特征在于，所述至少一个空间光调制器中具有相位空间光调制器和/或强度空间光调制器。
9.根据权利要求7所述的光学检测系统，其特征在于，所述空间光调制器包含硅基液晶、LCD、微镜阵列DMD、OLED、微振镜、光栅、光栅阵列中的任一种或任多种器件。
10.根据权利要求9所述的光学检测系统，其特征在于，所述硅基液晶器件采用相位调制方式。
11.根据权利要求9所述的光学检测系统，其特征在于，所述硅基液晶器件采用ECB或VAN模式。
12.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，所述图像生成系统包括光源、透镜、光阑、旋光片、玻片、偏振片、棱镜中的任一种或任多种光学元器件。
13.根据权利要求12所述的光学检测系统，其特征在于，所述光源包含至少一个或多个波长。
14.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，所述图像检测系统包括CCD、CMOS、胶片中的任一种或任多种成像器件。
15.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，所述控制系统控制并同步图像生成系统及图像检测系统。
16.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，所述控制系统根据所得输入图像和/或波前信息，以实时计算或者读取的方式得出所述检测图像信息，输出至所述图像生成系统，所述图像生成系统在物理上生成所述检测图像信息，调制出所需光波前和/或光场。
17.根据权利要求16所述的光学检测系统，其特征在于，所述控制系统根据所述图像检测系统的反馈进行所述实时计算或者读取。
18.根据权利要求3所述的光学检测系统，其特征在于，所述判断标准包括如下任一种或任多种标准：
光学镜头的设计指标参数；
检测的次数；
检测的时间；
精度值。
19.根据权利要求3所述的光学检测系统，其特征在于，所述检测结果包括：相同视场下的MTF、不同视场下的MTF、像差参数、色差参数、焦距中的任一种或任多种参数。
20.根据权利要求1所述的光学检测系统，其特征在于，像差包括：球差、彗差、像散、离焦、色散、场曲、畸变、高阶像差中的中任一种或任多种类型。
21.根据权利要求4所述的光学检测系统，其特征在于，波前补偿采用zernike多项式和/或seidal多项式计算。
22.根据权利要求4所述的光学检测系统，其特征在于，采用傅里叶变换、傅里叶逆变换、菲涅尔变换、菲涅尔逆变换、空间角频谱传播中的任一种或任多种方式来计算生成所述波前对应图像的传播。
23.根据权利要求4所述的光学检测系统，其特征在于，采用将波前补偿与所述测试图像信息传播的波前叠加来生成全息图或者相息图。
24.一种光学检测方法，其特征在于，采用权利要求1至23中任一项所述的光学检测系统，生成测试图像信息并在测试图像信息中加入波前补偿，以补偿待测器件及图像检测系统波前；
其中，所述波前补偿用于补偿被测器件中已装配光学器件存在的像差。
25.根据权利要求24所述的光学检测方法，其特征在于，所述波前补偿通过获得设定传播至待测器件表面、系统出入瞳或系统光阑位置的波前，并使用图像生成系统模拟所述波前来实现。
26.根据权利要求24所述的光学检测方法，其特征在于，通过将图像逆向传播所述波前至系统出入瞳、系统光阑位置或图像生成系统来计算所述波前。
27.根据权利要求24所述的光学检测方法，其特征在于，像差包括：球差、彗差、像散、离焦、色散、场曲、畸变、高阶像差中的中任一种或任多种类型。
28.根据权利要求24所述的光学检测方法，其特征在于，波前补偿采用zernike多项式和/或seidal多项式计算。
29.根据权利要求24所述的光学检测方法，其特征在于，采用傅里叶变换、傅里叶逆变换、菲涅尔变换、菲涅尔逆变换、空间角频谱传播中的任一种或任多种方式来计算生成所述波前对应图像的传播。
30.根据权利要求24所述的光学检测方法，其特征在于，采用将波前补偿与所述测试图像信息传播的波前叠加来生成全息图或者相息图。
31.一种光学器件制造系统，其特征在于，包括权利要求1所述的光学检测系统或者使用权利要求24所述的光学检测方法。
32.根据权利要求31所述的光学器件制造系统，其特征在于，包括光学器件移动系统，其中，所述光学器件移动系统根据经过所述待测器件的光得到检测图像信息的成像质量，对光学器件进行平动和/或转动。
33.根据权利要求32所述的光学器件制造系统，其特征在于，包括光学器件加工系统，其中，所述光学器件加工系统根据经过所述待测器件的光得到检测图像信息的成像质量，对光学器件进行加工。
34.根据权利要求33所述的光学器件制造系统，其特征在于，所述光学器件加工系统包括点胶系统和/或曝光系统。
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