CN1882826A

CN1882826A - 用于确定成像系统焦点的方法和设备

Info

Publication number: CN1882826A
Application number: CNA2004800337077A
Authority: CN
Inventors: P·F·格里夫; A·比尔斯马; W·J·罗斯尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-12-20
Also published as: WO2005047846A1; JP2007511758A; EP1687604A1; US20070058159A1; KR20060132579A; US7453581B2

Abstract

通过在光学系统的焦点平面(66)的不同侧面安排具有周期性结构的第一和第二测试物体(62、64)，并且确定在辐射敏感的检测系统(30)的不同区域(32、34)上形成的图像的调制深度之差，从而可以以可靠和准确的方式确定光学系统(20)的焦点。

Description

用于确定成像系统焦点的方法和设备

技术领域

本发明涉及确定光学系统的焦点的方法，所说的方法包括如下步骤：

在照明系统和辐射敏感的检测系统之间安排一个光学系统；

在照明系统和光学系统之间安排一个测试物体；

借助于光学系统在检测系统上成像所说测试物体；以及

从测试物体图像的调制深度建立焦点平面的位置。

本发明还涉及实现所说方法的设备。

背景技术

具有光轴的成像系统的焦点被认为是成像系统的焦点平面的轴向位置。这个系统可以是包括多个透镜元件和/或反光镜元件的组合系统，这些元件在一起使物体在一个需要的轴向位置成像。成像系统还可以是单个反光镜元件。焦点检测广泛地用在光学领域，例如用于确定单个的或组合的透镜或反光镜的焦点平面，或者在包括光学成像系统的光学设备制造期间，用于确定这个系统的焦点平面是否在所说设备内的需要的位置。

在本领域内已知的确定最佳焦点的方法有好几种，例如，使用轴向移动的(测试的)物体或轴向移动的传感器并且比较传感器输出信号以确定成像系统的的焦点平面的位置的方法。美国专利6195159就描述了使用这种方法的透镜测试系统。

最接近本发明方法的方法是使用单个测试物体的动态方法。穿过焦点(through-focus)扫描这个物体，这就意味着，移动这个物体使其穿过轴向范围，这个范围从优化焦点位置的一侧的位置延伸到另一侧的位置。按照另一种方式，可以扫描成像系统本身或者成像系统的一部分，在扫描期间，从接收测试物体图像的传感器提供的信号确定这个图像的对比度或清晰度，并且存储对比度的值。确定对于移动物体或移动成像系统的哪个位置获得了具有相同的不清晰的图像。在这两个位置的中间位置就是最佳焦点的位置。

调制深度在物体包含明区和暗区的情况下是对比度的度量值，它是位置的函数，由于调制深度表示最佳焦点范围(即接近最佳焦点时)的微小变化，甚至于在最佳焦点时没有任何变化，所以已知方法的灵敏度很低。这将导致一个很低的测量精度。在最佳焦点范围内估算散焦的数量是很困难的。而且，在不移动物体或者成像系统离开焦点如此地远以致于可以观察到足够大的调制变化量情况下，就不能确定检测到的焦点误差的符号，即不能确定实际的焦点是在最佳焦点的一侧还是在其另一侧。因此，对于一个固定的光学系统来说，就不能确定散焦的准确数量和符号。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在本说明书的第一段中限定的方法，所说方法不仅可以以高精度确定焦点偏差量，而且可以确定这样一种偏差的符号，所说方法是一种静态方法，而且使用的光学元件的数目最少。这种方法的特征在于：安排测试物体的步骤包括在照明系统和光学系统的期望的焦点平面之间安排第一测试物体，并且在这个焦点平面和光学系统之间安排第二测试物体，借此使第一和第二测试物体安排在相对于光学系统光轴的不同位置；这种方法的特征还在于：建立焦点的步骤包括确定两个测试物体图像中的每个测试物体图像的调制深度并且从一个测试物体图像所获得的调制深度值中减去从另一个测试物体图像所获得的调制深度值从而得到一个差值，这个差值即代表相对于两个测试物体位置的焦点位置。

本发明基于如下的见解：与具有相同结构的两个测试物体有关的穿过焦点的调制M_tf曲线将要彼此相对地移动，所说的两个测试物体分别安排在成像系统的焦点平面之前和之后。M_tf曲线表示一个物体的图像中的调制为相对于成像系统的最佳焦点平面的这个物体轴向位置的函数。MTF或者调制传递函数在光学中是众所周知的参数。通常，用图像的灰度值调制给出由成像系统形成的图像对比度。当前，借助于表示周期性结构的物体来确定成像系统的调制传递。对于指定周期的灰度值调制被称之为这个周期性的调制传递。在本说明书中，将M_tf理解为与具有指定的周期性的物体有关的M_tf。所说两个穿过焦点的调制曲线具有高斯分布的形状。M_tf曲线的宽度尤其取决于物体的周期性和两个物体之间的距离。当前，将这个宽度表示为在1/2最大值处的全宽度(FWHM)。如果所说的两个子物体的曲线相互靠近，即，它们的顶端之间的距离小于约1.5倍于FWHM之差，则可以获得在所谓的S曲线中从每个结果中得到的曲线，这表明在零附近有一个基本上线性的斜率。在S曲线中的这个零代表成像系统的最佳焦点。

在本发明的这个静态测量方法中，其中不使用穿过焦点的扫描，对于一个指定的焦点位置，获得两个调制值，每个物体有一个调制值，于是可以获得一个差值，这个差值对于这个焦点位置来说具有唯一的数值和符号(+或-)。这个差值表示获得最佳焦点所需的校正的大小和符号。对于最佳焦点来说，与两个物体有关的调制具有相同的数值，这个数值例如与以前讨论过的已知方法中使用的最大值0.5-0.8有相当大的不同。本发明的静态差分方法对于每个散焦给出散焦的准确数量和符号。对于高质量的光学系统，本发明的方法允许利用光学系统的焦深约为1％的灵敏度来测量散焦的数量。这个焦深或者焦点范围是可以接受的散焦数量，即，对于这个散焦数量可以获得一个可以接受的图像。

优选地，所说方法的另一个特征是在成像系统的视场内的不同点确定焦点。

以此方式，可以确定视场的平均散焦和成像系统的参数，例如视场的曲率和形状，并且可以估算视场中不同点的单频率调制。

本发明还涉及用于实施所说方法的设备。所说设备依次包括用于提供照明光束的辐射源、测试物体、要测量的光学系统的位置、辐射敏感的检测系统、和用于处理来自检测系统的信号的处理装置，所说设备的特征在于：测试物体包括两个子物体，它们安排在光学系统的期望的最佳焦点的不同侧并且安排在相对于设备光轴的不同位置；辐射敏感的检测系统包括用于子物体图像的分开的检测区域；和处理装置包括用于计算图像的对比度之差的装置。

这个设备的一个实施例的特征在于子物体是光栅。

光栅非常适合于测量光学系统的性质的测试物体。

附图说明

借助于非限制性实例并且参照下述的附图，本发明的这些和其它的方面将变得显而易见并且将被说明。在附图中：

图1示出了用于确定成像系统焦点的常规设备的示意图；

图2示出了穿过焦点的调制曲线；

图3示出了用于确定成像系统焦点的按照本发明的设备的一个

实施例；

图4示出了利用这个设备获得的穿过焦点的调制曲线；

图5示出了代表这些曲线之间的差的曲线；

图6示出了用于按照本发明的方法的测试物体的一个实施例；

图7示出了用于这样一种测试物体的光栅结构的实施例；

图8示出了示具有多个光栅结构组的测试物体；

图9示出了按照本发明的包括附加透镜的设备的实施例。

具体实施方式

图1示出了最佳焦点检测设备1。这个设备包括提供照明光束8的照明系统2。照明系统包括一个辐射源4，并且可以是任何类型，例如包括光束整形光学元件，如示意地示出为单透镜6。所说设备进一步还包括一个测试物体10，测试物体10包括由光栅条14和中间条14组成的光栅结构12。光栅结构由透明基板16支撑。所说光栅可以是透明光栅或者是黑白光栅，即，具有透明光栅条和非透明中间条(吸收式或反射式的中间条)的光栅。所说光栅还可以是相位光栅，即，相对于基板表面来说定位在第一水平的光栅条和定位在第二水平的中间条。通过照明光栅8照明所说光栅。

在穿过测试物体的辐射路径内的一个夹持器(未示出)中插入待要测量的成像系统20。这个成像系统是由单透镜表示的，但这个成像系统还可以是包括多个透镜的一个组合成像系统。在测量期间，成像系统20将测试物体成像在辐射敏感的检测系统30上，借此使光栅结构的每一点与检测系统的一个分开的点共轭。这种情况在图1中借助于从光栅结构的一点开始的子光束18示出。辐射敏感的检测系统可以是照相机的一个传感器，例如在本领域中公知的CCD传感器或CMOS传感器。传感器的输出与电处理单元40相连，处理单元40也是众所周知的。

在传感器上形成的图像的清晰度或对比度取决于焦点，即，取决于相对于成像系统的最佳焦点物体平面的位置的测试物体的轴向位置(Z方向位置)。对于由明线和暗线的图形构成的物体(如光栅)的图像，对比度是用强度或灰度值的调制表示的。这种调制M取决于成像物体的周期性或空间频率。只有一个空间频率sf的物体的图像只包括一个调制M_sf。众所周知的MTF(调制传递函数)代表调制为空间频率的函数，通常用每mm的线数(lpmm)表示之。作为焦点函数的调制M的变化可以称之为穿过焦点的调制M_tf。

图2示出了对于空间频率为10lpmm(曲线50)的物体的这种M_tf的例子。沿水平轴(以mm为单位)画出散焦Δz，并且沿垂直轴画出调制幅度MA。为了表示物体的调制对空间频率的相关性，还分别给出空间频率为8lpmm、6lpmm、4lpmm、2lpmm的曲线51、52、53、54。

在光学中通常都知道如何借助于光学传感器、与该传感器耦合的信号处理设备以及处理软件来确定物体图像的调制。在理想情况下，即，Δz＝0，或者物体处在成像系统的最佳焦点平面内，调制是最大的。

在常规方法中，使用这个标准来确定成像系统的最佳焦点，试图在图像中获得最大调制。然而，这个“最大调制”方法有如下的缺点：

在曲线的顶部，即对于Δz＝0的情况，作为Δz的函数的调制M的变化是最小的(实际上是0)。因此，这种方法在临界点相对不敏感；

接近顶部难以只从调制值确定如何前进才能抵达顶部。作为一个附加的步骤，使用摆动或穿过焦点的扫描在实践中得到有关向哪个方向前进的信息。如这里先前讨论过的，有可能找到用于提供估算最佳焦点的相同清晰度(或非清晰)的两个位置(散焦设置)。最佳焦点位置在这两个位置的中间。然而，这样得到的结果在接近顶部的区域是模糊不清的，这是因为导致混淆的不准确的执行机构或者传感器像素图形对于测试物体图像的干扰可能具有扰动的效果；

如果不可能改变焦点以找到最佳的调制值，则不可能从调制值找到实际的焦点。这就意味着，不可能确定最终的成像系统的焦点；

在成像系统的一些应用中，需要确定物体平面的倾斜角。这就需要在图像场的边缘进行准确的焦点测量。借助于常规的方法难以实现这样的测量。

本发明提供了一种方法，这种方法可以确定成像系统的实际焦点，但不需要移动部件。图3示出了实现这种方法的一个设备的示意图。用相同的参考标记表示与图1的设备相同的部件。按照本发明，两个(子)测试光栅62、64安排在光轴Z的不同侧。这两个光栅定位在距成像系统20不同的轴向距离，以使子光栅之一定位在成像系统的最佳焦点平面66之前，另一个子光栅定位在最佳焦点平面66之后。成像系统20分别在检测系统或传感器40的不同区域形成子光栅62、64的图像68、70。这些传感器区域是分开并且同时读出的。成像系统可以是照相机的物镜，并且按照CCD传感器或CMOS传感器的形式将所说成像系统安排成接近辐射敏感的检测系统。

由于子光栅62、64到成像系统20的距离是不同的，所以与这些光栅有关的M_tf曲线72、74会有彼此相对的移动，如图4所示。在处理器40中相互比较与子光栅有关的测量的M值，即，从一个测量的M值中减去另一个测量的M值。就M_tf曲线而论，这就意味着，曲线72、74要彼此相减，这将产生一个如图5所示的差分ΔM_tf曲线76。这个曲线可以称之为S曲线，表示在点Δz＝0附近即在最佳焦点附近有一个陡峭的斜率。这样，就有可能以很大的准确度来确定成像系统的焦点位置。现在，在子光栅的所测量M值之间的每个差值ΔM就代表成像系统的一个焦点位置。可以迅速和准确地确定实际焦点和所需焦点的偏差的数量和符号这两者。

子光栅，或者其它的测试子物体可以是分开的元件。优选地，它们如图6所示集成在一个部件80内。这个部件80包括两个透明板82、84(如玻璃板)，这两个透明板由设有肋88的垫块86分离开，肋88由夹持器90支撑。板82的右侧包括第一子光栅62，板84的左侧包括第二子光栅64。所述板涂有铬层，在这个层内蚀刻有光栅条。部件80安排在测量设备内的轴向位置，以使最佳焦点平面66位于两个子光栅之间，在理想情况下位于这两个子光栅的中间。如果为光栅板选择具有足够好的光学质量的材料，并且因此可以将这个板做得足够地厚，则可以将子光栅安排在一块板的相对侧面上。

图7表示测试光栅结构的实际实施例的顶视图。参考标记62、64分别表示上部子光栅和下部子光栅。光栅条可以以小的角度例如大约8度倾斜，以便可以防止形成莫阿干涉条纹图，莫阿干涉条纹图可能是从光栅结构和传感器的像素结构之间的干扰产生的。光栅结构的空间频率例如为每毫米大约12条线。通常，两个光栅的放大系数略有不同，因为光栅安排在距成像系统的不同距离处。然而，优选的作法是，光栅的图像表示的是相同的空间频率。这可以通过使用空间频率略微不同的光栅来实现以便补偿放大系数之差。作为在光栅的每一侧调制测量的基准，可以安排一个较粗的光栅结构92，光栅结构92具有光栅条94，它的空间频率例如为每毫米2条线。按照图3的曲线，这个粗的光栅结构提供的调制深度值为1。

可以在所测量成像系统的视场的几个位置上确定焦点。这就允许测量成像系统的更多参数，如倾斜角和场曲率。图8示出了适合于进行这种测量的光栅结构的一个实施例。这个光栅结构包括9组，每组具有上部子光栅62和下部子光栅64，并且在这些子光栅的两侧都有一个较粗的基准光栅结构。为了测量成像系统光轴和围绕Y轴的传感器平面之间的倾斜角，例如可以使用组101、102、103和107、108、109。从对于这些组求得的焦点之间的平均差值和这些组之间的距离就可以确定Y轴倾斜角。例如从组101、104、107和103、106、109求得的焦点之间的平均差值和这些组之间的距离就可以确定围绕X轴的倾斜角。

为了确定在X方向的场曲率，例如可以使用组102、105、108。首先，如在这里以上所述的，确定沿X轴的倾斜角。然后，通过处理软件将这个倾斜角设定为0，这将产生组102、105、108的一个新的焦点。最后，通过组102、105、108的(新的)焦点拟合一条曲线。以类似的方式，借助于3组子光栅可以确定沿Y轴的场曲率。

本发明可以用于确定不同类型光学系统的焦点以便表征这个光学系统，或者调节其中必须包括所说光学系统的设备中的位置设置。这样一种系统的一个例子就是照相机的物镜。对于小型和简单的照相机，例如用在移动电话或其它的手持设备中的照相机，物镜还应该足够清晰地成像距照相机的距离很远的物体(按光学术语是无穷大)。这样一种物镜应该是具有极大的焦深的有限共轭物镜。对于这样一种物镜，需要有额外的措施来实现距照相机最远的这个测试光栅是在焦点外的要求。为此，在物镜和两个测试光栅之间安排一个附加的透镜。

图9示出了具有这样一种附加透镜124的设备的实施例。在这个图中，标记112是照明系统，例如是背景照明系统。标记114是照相机，标记116是将要确定焦点的物镜。标记120和122是安排在最佳焦点平面的不同侧面上的子光栅。对于焦深大的物镜，子光栅120在焦点上。为了使这个子光栅在焦点外，如本发明的方法所需要的那样，在子光栅122和物镜116之间安排一个透镜124。借助于这个透镜，使最佳焦点平面118向物镜116移动，以使子光栅120定位在距焦点平面的一个适宜的距离上。本发明以此方式还可以用于具有大的焦深的成像系统。标记126是来自最佳焦点平面的一点的子光束，并且由物镜接收。

本发明不仅可用光栅实现，而且还可以用其它的具有周期性结构的测试物体实现。

Claims

1、一种确定光学系统焦点的方法，所说的方法包括如下步骤：

在照明系统和辐射敏感的检测系统之间安排一个光学系统；

在照明系统和光学系统之间安排一个测试物体；

借助于光学系统在检测系统上成像所说测试物体；以及

从测试物体图像的调制深度建立焦点平面的位置，其特征在于：所述安排测试物体的步骤包括在照明系统和光学系统的期望焦点平面之间安排第一测试物体，并且在这个焦点平面和光学系统之间安排第二测试物体，借此使第一和第二测试物体安排在相对于光学系统光轴的不同位置；这种方法的特征还在于：所述建立焦点的步骤包括确定两个测试物体图像中的每个测试物体图像的调制深度并且从一个测试物体图像所获得的调制深度值中减去另一个测试物体图像所获得的调制深度值，从而得到一个差值，这个差值代表相对于两个测试物体位置的焦点位置。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在成像系统的视场中的不同点上确定焦点。

3、一种用于确定光学系统的焦点的设备，所说设备依次包括：用于提供照明光束的辐射源、测试物体、要测量的光学系统的位置、辐射敏感的检测系统、和用于处理来自检测系统的信号的处理装置，所说设备的特征在于：测试物体包括两个子物体，它们安排在光学系统的期望的最佳焦点的不同侧并且安排在相对于设备的光轴的不同位置；所说设备的特征还在于：辐射敏感的检测系统包括用于子物体图像的分开的检测区域；并且所说设备的特征还在于：处理装置包括用于计算图像的对比度之差的装置。

4、根据权利要求3所述的设备，其特征在于：子物体是光栅。

5、根据权利要求4所述的设备，其特征在于：所说光栅分别安排在一个透明板的前侧和后侧。

6、根据权利要求3、4、5所述的设备，其特征在于：在光学系统和最靠近光学系统的子物体之间安排一个附加透镜系统。