CN114967368A - 一种用于成像系统波像差高精度在线测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于成像系统波像差高精度在线测量装置和测量方法，该成像系统波像差高精度检测装置包括光源及照明系统、滤波系统、被测成像系统、球透镜、准直系统、波前传感器和可拆卸的滤波系统。结合可以拆卸的滤波系统和随机平均法达到在线标定系统误差的目的，在线检测的方式可以减少整个测量系统调整误差，从波像差相对测量结果中分离出已标定的系统误差，实现成像系统的波前高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于光学成像系统测量领域，特别涉及一种用于成像系统波像差高精度在线测量装置和测量方法。
背景技术
光学成像系统广泛应用到显微物镜、望远物镜、投影物镜等领域，成像系统的发展可以推动其他领域科研的进步。在光束传播的过程当中，会受到光学材料的不均匀性、光学元件的装配和加工误差等影响，会造成光束的波前变形，影响光学成像波前探测的精度。成像系统各个光学元件在加工过程中的误差以及材料本身的缺陷等都会让通过成像系统的光波波前产生变形，成像系统的质量决定其成像像质的好坏，波像差大小是衡量成像系统成像质量的重要指标之一。波像差的检测的意义有两点：一是为检测成像系统的成像质量是否达到要求，二是为成像系统的装调提供指导意义。
经典的成像系统波像差高精度检测的测量方法有点衍射检测技术、夏克-哈特曼检测技术和剪切干涉检测技术。点衍射干涉仪的构想最早由Linnik等提出，1972年，点衍射干涉仪重新受到Smartt等的重视，并提出用点衍射干涉仪检测光学系统。1996年，Medecki等提出相移点衍射干涉仪(PS/PDI)，可以通过相移显著提高其测量精度。在这种干涉仪中，光束入射针孔掩膜后被滤波并产生无像差的球面波，再经过二元光栅后被分成0级和1级衍射光，这些光波通过待测成像系统后携带光刻成像系统的像差，到达由一个针孔和一个窗口组成的掩膜，0级光通过上面的针孔后衍射成为球面参考波，作为测试波的1级光通过衍射板上的窗口后仍携带成像系统波像差信息，两者在探测器平面上形成干涉条纹，由CCD相机探测。但是随着针孔尺寸的缩小，通过针孔的光束变弱，条纹对比度下降，使得检测精度变低。
夏克-哈特曼检测技术是在哈特曼检测技术上演变而来，普通哈特曼传感器的局限之处是Hartmann光栅上的小孔占整块板的比例有限。只有少部分光从小孔阵列透过，大部分光源被不透明部分阻挡，光能的利用率很低。1971年，Shack和Platt在哈特曼检测技术的基础上提出利用透镜阵列替代小孔阵列用于分割待测的光束。由于每束光是在探测器上单独聚焦，相对于哈特曼检测法具有更好的光能利用效率。
剪切干涉技术利用如平行平板、光栅和望远系统等分光光学器件，其原理为将空间相干波前剪切分成两个相同或相似的波前，两个波前之间会发生相对错位，两个波前的重叠区域会发生干涉形成干涉条纹。根据干涉条纹的携带的相位信息，再结合相应的算法得到原始波前数据。这项技术在二十世纪三十年代兴起，包括横向剪切干涉仪、径向剪切干涉仪、旋转剪切干涉仪和反转剪切干涉仪，但最常用的是横向剪切干涉仪和径向剪切干涉仪。相较于其他类型的干涉仪，剪切干涉仪采用自参考的模式，不受参考面面形精度的影响，且能直接用于波前传感；与夏克-哈特曼检测技术相比，剪切干涉仪得到的波前信息空间分辨率更高，测量精度也优于夏克-哈特曼检测技术。
然而，现有的成像系统波前像差检测方法得到的是包含系统误差的相对测量结果，不能满足日益提高的检测精度需求。有的检测方法精度虽然相对较高，但不能进行在线检测，离线检测耗时过长，不能实现高效的工程实践。
发明内容
为了克服上述当前技术的不足，本发明提出了一种用于成像系统波像差高精度在线测量装置和测量方法。该方法结合随机平均法标定出系统误差，能够实现成像系统波像差的在线检测。在线检测的方式可以减少整个系统的调整误差，再结合随机平均法可以从成像系统波像差相对测量结果中消掉系统误差，从而实现成像系统波像差的检测效果。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于成像系统波像差高精度在线测量装置，该装置包括光源及照明系统1、滤波系统2、被测成像系统3、球透镜4、准直系统5、波前传感器6和可拆卸的滤波系统7；其中，光源及照明系统1为在线测量装置提供均匀的照明，滤波系统2放置在光源及照明系统1的衍射极限处，形成理想球面波，成像系统3与光源及照明系统1的衍射极限处于共焦的位置，球透镜4与成像系统3处于非共焦的位置，可拆卸的滤波系统7在标定系统误差时使用，其他测量系统的器件不需要调整，从而实现被测成像系统波像差的高精度在线测量；沿所述的光源及照明系统1输出的光源方向依次是滤波系统2、被测成像系统3、可拆卸的滤波系统7、球透镜4、准直系统5、波前传感器6，沿所述的滤波系统2位于成像系统的物方视场，照明的数值孔径充满被测成像系统的物方数值孔径范围；准直系统5与球透镜4也处于共焦的状态。
所述的滤波系统2为分辨率高的针孔，将其放在衍射极限处，使得光源及照明系统1产生的光变为理想球面波，这个步骤消去光源及照明系统1的误差；
所述的可拆卸滤波系统7在标定系统误差时使用，在进行成像系统波像差高精度检测时拆卸；
所述的球透镜4用于随机平均法，消除整个系统的测量误差；
所述的准直系统5用于准直扩束或者准直缩束，产生的平行光经波前传感器6测的数据更加精确。
进一步地，所述的波前传感器6可以是哈特曼传感器，通过微透镜阵列分割光束，分割开的子光束分别聚焦在探测器上，分别得到每个子光束在X方向和Y方向的剪切量，并最终得到波前信息，也可以是SID4相机，即四波剪切干涉仪，这种干涉仪抗震性好，对环境的要求很低，通过四束±1级光发生干涉，由解调干涉图中的相位结合相应的算法得到波前信息。
进一步地，可拆卸的滤波系统7是可拆卸的，当需要标定系统误差时，使用可拆卸的滤波系统7，当需要直接测量待测成像系统波像差时，取下可拆卸的滤波系统7，这样可以达到在线检测成像系统波像差的效果，并且减少整个测量系统的调整误差。
进一步地，随机旋转球透镜的方向，达到随机平均的效果，消除整个系统的随机误差等系统误差。
一种用于成像系统波像差高精度在线测量方法，采用所述的用于成像系统波像差高精度在线测量装置，包括下列步骤：
步骤一：使用光源及照明系统1产生光源，经过滤波系统2形成理想球面波，该球面波通过被测成像系统3，光波会携带由被测成像系统3的波像差信息，再经过可拆卸的滤波系统7会再次产生理想球面波，经过球透镜4及准直系统5后，由波前传感器6接收信号，该信息包含球透镜4产生的面形不均匀误差、固有球差，测量系统的随机误差、准直系统5和波前传感器6产生的系统误差；
步骤二：随机旋转N次球透镜4，得到N个含成像系统波像差信息以及系统误差的信息，取该信息的平均值，消去整个系统的随机误差和球透镜面形不均匀的误差；
步骤三：撤下可拆卸的滤波系统7，使用光源及照明系统1产生光源，经过滤波系统2形成理想球面波，该球面波通过被测成像系统3，光波会携带由被测成像系统3的波像差信息，经过球透镜4及准直系统5后，由波前传感器6接收信号，该信息包含被测成像系统3、球透镜4产生的面形不均匀误差、固有球差，测量装置的随机误差、准直系统5和波前传感器6产生的系统误差；
步骤四：撤下可拆卸的滤波系统7后，继续随机旋转N次球透镜4，得到N个含成像系统波像差信息以及系统误差的信息，取该信息的平均值，消去测量装置的随机误差和球透镜面形不均匀的误差；
步骤五：由含成像系统波像差信息以及系统误差的信号剔除随机误差，光源及照明系统1、滤波系统2、波前传感器6、可拆卸的滤波系统7产生的系统误差和球透镜的固有球差得到成像系统真实的波像差信息。
本发明的原理在于：本发明通过光源及照明系统产生测试光源，通过滤波系统后形成理想球面波，经过成像系统会携带成像系统的波像差信息，含波像差信息的光波经过球透镜、准直系统后到达波前传感器，分别得到X方向和Y方向的剪切斜率，根据斜率信息最终重建波前。结合可拆卸的滤波系统，可以将准直系统、球透镜和波前传感器产生的系统误差单独标定出来，且这个过程不需要移动整个系统，减少了调整误差，节省测量的时间，比其他测量方式和装置更加高效。另外再利用随机平均法对整个检测系统的误差进行标定，从而得到不含系统误差的成像系统波像差在线检测。
本发明与现有技术相比，其优点在于：本发明装置结构简单，实验操作方便，结合了检测方法中的随机平均法，利用随机平均法标定出系统误差，可以将其从相对测量结果当中分离出来。可拆卸的滤波系统能够实现测量系统在线检测，得到成像系统波像差在线检测，突破了现有检测技术的实践极限。
附图说明
图1为本发明一种用于成像系统波像差高精度在线测量装置的示意图。
图2为本发明一种用于成像系统波像差高精度在线测量方法的流程图。
图3为本发明标定球透镜、准直系统和波前传感器系统误差的示意图。
图4为本发明随机平均法示意图。
图5为本发明面形误差被随机平均的仿真示意图。
图6为本发明测量系统的随机误差被随机平均的仿真示意图。
其中，1为光源及照明系统，2为滤波系统，3为被测成像系统，4为球透镜，5为准直系统，6为波前传感器，7为可拆卸的滤波系统。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图做进一步地详细描述，但不应一次限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种用于成像系统波像差高精度在线测量装置，包括光源及照明系统1、滤波系统2、被测成像系统3、球透镜4、准直系统5、波前传感器6和可拆卸的滤波系统7；沿所述的光源及照明系统1输出的光源方向依次是滤波系统2、被测成像系统3、可拆卸的滤波系统7、球透镜4、准直系统5、波前传感器6，沿所述的滤波系统2位于成像系统的物方视场，照明的数值孔径充满被测成像系统的物方数值孔径范围；准直系统5与球透镜4也处于共焦的状态。
所述的滤波系统2为分辨率高的针孔，将其放在衍射极限处，使得光源产生的光变为理想球面波，消去照明及光源系统的误差；
所述的可拆卸的滤波系统7在标定系统误差时使用，在进行成像系统波像差高精度检测时拆卸；
所述的球透镜4用于随机平均法，消除整个系统的测量误差；
所述的准直系统用于准直扩束或者准直缩束，产生的平行光经波前传感器测的数据更加精确；
所述的波前传感器6可以是哈特曼传感器，通过微透镜阵列分割光束，分割开的子光束分别聚焦在探测器上，分别得到每个子光束在X方向和Y方向的剪切量，最终得到波前信息，也可以是SID4相机，即四波剪切干涉仪，这种干涉仪抗震性好，对环境的要求很低，通过四束±1级光发生干涉，由解调干涉图中的相位结合相应的算法得到波前信息；
如图2所示，一种用于成像系统波像差高精度测量方法，具体步骤如下：
步骤一：使用光源及照明系统1产生光源，经过滤波系统2形成理想球面波，该球面波通过待测成像系统后携带其波像差信息，经可拆卸的滤波系统7再次形成理想球面波，通过球透镜4和准直系统5后，由波前传感器6接收信号，将该信号表示为Wi,1，该系统误差信息由球透镜固有球差WSP、球透镜面形不均匀误差Wi,S、测量的随机误差Wi,N、准直系统和波前传感器引入的系统误差W2构成；
步骤二：随机旋转N次球透镜4，得到N个含成像系统波像差信息以及系统误差的信息，取该信息的平均值
消去整个系统的随机误差Wi,N和球透镜面形不均匀的误差Wi,S；
步骤三：撤下可拆卸的滤波系统7，使用光源及照明系统1产生光源，经过滤波系统2形成理想球面波，该球面波通过被测成像系统3，光波会携带由被测成像系统3的波像差信息，经过球透镜4及准直系统5后，由波前传感器6接收信号，波前传感器的信号表示为Wi，该信息包含被测成像系统3的真实波像差WT，球透镜4产生的面形不均匀误差Wi,S、固有球差WSP，测量系统的随机误差Wi,N、准直系统5和波前传感器6引入的系统误差W2；
步骤四：撤下可拆卸的滤波系统7后，继续随机旋转N次球透镜4，得到N个含成像系统波像差信息以及系统误差的信息，取该信息的平均值
消去整个系统的随机误差Wi,N和球透镜面形不均匀的误差Wi,S；
步骤五：由含成像系统波像差信息以及系统误差的信息
剔除准直系统和波前传感器产生的系统误差W2和球透镜的固有球差WSP，得到成像系统真实的波像差信息WT。
如图3所示，使用光源及照明系统1产生光源，经过滤波系统2形成理想球面波，该球面波通过待测成像系统后携带其波像差信息，经可拆卸的滤波系统7再次形成理想球面波，通过球透镜4和准直系统5后，由波前传感器6接收信号，将该信号表示为Wi,1，该系统误差信息由球透镜固有球差WSP、球透镜面形不均匀误差Wi,S、测量的随机误差Wi,N、准直系统和波前传感器引入的系统误差W2构成；
随机平均法原理如图4所示，当使用可拆卸的滤波系统进行系统误差标定时，每次测量将是准直系统和波前传感器引入的系统误差、球透镜的固有球差及面形不均匀误差、测量系统的随机误差的组合值。
因此透射波前的每次测量Wi,1可以表示为：
Wi,1＝W2+Wi,S+WSP+Wi,N (1)
其中，W2是准直系统和波前传感器产生的系统误差，Wi,S由于球透镜的面形误差引起的第i次测量的波像差，WSP是球透镜的固有球差，Wi,N是第i次测量时系统产生的随机误差；
对整个测量系统使用随机平均法后的球透镜的面形误差和测量随机误差分别如图5及图6所示。如果球透镜以随机方向定位，并对足够数量的波前进行平均，其效果将是消除随机变化的分量，表示为：
(Wi,S+Wi,N)→0 (2)
则平均波前可以表示为：
当使用测量系统直接在线检测成像系统波像差时，每次测量将是成像系统真实波像差、准直系统和波前传感器引入的系统误差、球透镜的固有球差及面形不均匀误差、测量系统的随机误差的组合值。
因此透射波前的每次测量Wi可以表示为：
Wi＝WT+W2+Wi,S+WSP+Wi,N (4)
其中，WT是被测成像系统的真实波像差，W2是准直系统和波前传感器产生的系统误差，Wi,S由于球透镜的面形误差引起的第i次测量的波像差，WSP是球透镜的固有球差，Wi,N是第i次测量时系统产生的随机误差；
则平均波前可以表示为：
根据公式(3)和公式(5)可求得被测成像系统的真实波像差：
本发明中，主要的器件包括：包括光源及照明系统1、滤波系统2、被测成像系统3、球透镜4、准直系统5、波前传感器6和可拆卸的滤波系统7。其中光源及照明系统1为整个测量系统提供均匀的照明，滤波系统2放置在光源及照明系统1的衍射极限处，形成理想球面波，被测成像系统3与光源及照明系统1的衍射极限处于共焦的位置，球透镜4与被测成像系统3处于非共焦的位置，可拆卸的滤波系统7在标定系统误差时使用，其他测量系统的器件不需要调整，从而实现被测成像系统波像差的高精度在线测量。
Claims (6)
1.一种用于成像系统波像差高精度在线测量装置，其特征在于：该装置包括光源及照明系统(1)、滤波系统(2)、被测成像系统(3)、球透镜(4)、准直系统(5)、波前传感器(6)、可拆卸的滤波系统(7)；其中，光源及照明系统(1)为在线测量装置提供均匀的照明，滤波系统(2)放置在光源及照明系统(1)的衍射极限处，形成理想球面波，成像系统(3)与光源及照明系统(1)的衍射极限处于共焦的位置，球透镜(4)与成像系统(3)处于非共焦的位置，可拆卸的滤波系统(7)在标定系统误差时使用，其他测量系统的器件不需要调整，从而实现被测成像系统波像差的高精度在线测量；沿所述的光源及照明系统(1)输出的光源方向依次是滤波系统(2)、被测成像系统(3)、可拆卸的滤波系统(7)、球透镜(4)、准直系统(5)、波前传感器(6)，沿所述的滤波系统(2)位于成像系统的物方视场，照明的数值孔径充满被测成像系统的物方数值孔径范围；准直系统(5)与球透镜(4)也处于共焦的状态。
2.根据权利要求1所述的用于成像系统波像差高精度在线测量装置，其特征在于：所述的波前传感器(6)可以是哈特曼传感器，通过微透镜阵列分割光束，分割开的子光束分别聚焦在探测器上，分别得到每个子光束在X方向和Y方向的剪切量，并最终得到波前信息，也可以是SID4相机，即四波剪切干涉仪，这种干涉仪抗震性好，对环境的要求很低，通过四束±1级光发生干涉，由解调干涉图中的相位结合相应的算法得到波前信息。
3.根据权利要求1所述的用于成像系统波像差高精度在线测量装置，其特征在于：可拆卸的滤波系统(7)是可拆卸的，当需要标定系统误差时，使用可拆卸的滤波系统(7)，当需要直接测量待测成像系统波像差时，取下可拆卸的滤波系统(7)，这样可以达到在线检测成像系统波像差的效果，并且减少整个测量系统的调整误差。
4.根据权利要求1所述的用于成像系统波像差高精度在线测量装置，其特征在于：随机旋转球透镜的方向，达到随机平均的效果，消除整个系统的随机误差等系统误差。
5.一种用于成像系统波像差高精度在线测量方法，利用权利要求1所述的用于成像系统波像差高精度在线测量装置，其特征在于：该方法包含下列步骤：
步骤一：使用光源及照明系统(1)产生光源，经过滤波系统(2)产生理想球面波，该球面波通过被测成像系统(3)，光波会携带由被测成像系统(3)的波像差信息，再经过可拆卸的滤波系统(7)会再次产生理想球面波，经过球透镜(4)及准直系统(5)后，由波前传感器(6)接收信号，该信息包含球透镜(4)产生的面形不均匀误差、固有球差，测量系统的随机误差、准直系统(5)和波前传感器(6)产生的系统误差；
步骤二：随机旋转N次球透镜(4)，得到N个含成像系统波像差信息以及系统误差的信息，取该信息的平均值，消去整个系统的随机误差和球透镜面形不均匀的误差；
步骤三：撤下可拆卸的滤波系统(7)，使用光源及照明系统(1)产生光源，经过滤波系统(2)形成理想球面波，该球面波通过被测成像系统(3)，光波会携带由被测成像系统(3)的波像差信息，经过球透镜(4)及准直系统(5)后，由波前传感器(6)接收信号，该信息包含被测成像系统(3)、球透镜(4)产生的面形不均匀误差、固有球差，测量系统的随机误差、准直系统(5)和波前传感器(6)产生的系统误差；
步骤四：撤下可拆卸的滤波系统(7)后，继续随机旋转N次球透镜(4)，得到N个含成像系统波像差信息以及系统误差的信息，取该信息的平均值，消去测量装置的随机误差和球透镜面形不均匀的误差；
步骤五：由含成像系统波像差信息以及系统误差的信号剔除随机误差，光源及照明系统(1)、滤波系统(2)、波前传感器(6)、可拆卸的滤波系统(7)产生的系统误差和球透镜的固有球差得到成像系统真实的波像差信息。
6.根据权利要求5所述的用于成像系统波像差高精度在线测量方法，其特征在于：装置结构简单，检测测量原理简单，能实现波像差在线检测，减少了系统调整误差，相比于传统的测量方法，剔除了系统误差对测量结果的影响，达到了高精度检测成像系统波像差的效果。
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| CN114967365A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-08-30 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种用于投影物镜波像差绝对检测的测量装置和测量方法 |
| CN115553711A (zh) * | 2022-10-14 | 2023-01-03 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 基于掩模调制的自适应光学及波前探测系统 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104198159A (zh) * | 2014-07-31 | 2014-12-10 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种大数值孔径物镜波像差检测装置及方法 |
| CN109855842A (zh) * | 2017-11-30 | 2019-06-07 | 上海微电子装备（集团）股份有限公司 | 一种波像差检测系统及测量方法 |
-
2022
- 2022-06-01 CN CN202210615885.0A patent/CN114967368A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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|---|
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