TWI589851B - 光學波前量測裝置與方法 - Google Patents

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Description

光學波前量測裝置與方法
本發明係關於一種光學波前量測裝置與方法，尤其關於一種利用空間光調變器及波前拼接方式，來避免光點重疊並且重建具有高度像差之波前的光學波前量測裝置與方法。
考量到鏡片大量的被應用於各種光學產品中，如何快速精確的檢測鏡片的光學品質也隨之被重視。光波之波前係具有相同相位之點的軌跡，即與產生光波之光源具有相同光學路徑長度的點。波前檢測除了傳統的干涉儀外，近來來發展出一種Shack-Hartmann波前感測器(SHWS)，例如美國專利第4141652號，其具有成本低、結構簡單、量測速度快以及對環境振動要求低等優點，因此已被大量應用於波前的量測。
圖1(a)及(b)顯示Shack-Hartmann波前感測器及光波之波前的示意圖。如圖1(a)及(b)所示，Shack-Hartmann波前感測器100包含一鏡頭陣列(Lens Array)110及一影像感 測器(Image Sensor)120。圖1(a)中的光波具有相同的相位，於圖(b)中顯示發生波前橫向變化的光波。
依據Shack-Hartmann波前感測器100，波前 橫向變化等於光點橫向偏移量除以鏡頭焦距。並且，可以再利用Zernike多項式來重建波前。更具體而言，先求得Zernike多項式係數，再將該些係數帶入Zernike多項式中重建波前。 關於演算方式，例如可以參考["Histroy and principle of Shack -Hartmann Wavefront Sensing"，屈光手術期刊2001年9月/10月第17卷]，["Modal wave-front estimation from phase derivative measurements"，J.Opt.Soc.Am.1979年7月第7期第69卷，第972至977頁]。
圖2顯示高度像差情形之不同光點成像於同 一鏡頭陣列的對應位置，兩光點產生重疊(fold over)的示意圖。對於具有高度像差的波前而言，很容易產生如圖2所示之光點重疊的現象。如此一來，在計算光點橫向偏移量時，會無法判別，因此針對此問題已有許多技術被提出。例如，美國專利第7414712號、臺灣專利申請號第095146676、09127215號等。於本說明書中，引用該些專利，美國專利第4141652、7414712號及臺灣專利申請號第095146676、09127215號等說明書的內容，作為本說明書之揭示內容的一部分。
然而，一般光學元件或鏡頭或系統，其光瞳 皆是圓形且相關特性分佈對稱於軸心，因此該些技術應用於 非球面鏡片時，還有進一步改進的空間。為了有效解決高度像差下的橫向位移的鑑別問題，本發明提出改良波前感應器量測裝置及方法，其能夠應用於帶有高度像差的光學鏡片及系統的波前量測。
本發明之一目的在於提供一種光學波前量測裝置。另一目的在於提供一種利用空間光調變器及波前拼接方式，來避免光點重疊並且重建具有高度像差之波前的光學波前量測裝置與方法。
依據本發明一實施例，一種光學波前量測裝置，用以檢測一待測鏡片，其包括：一光學空間調制器、一波前感應裝置、一無窮物鏡模組及一計算機。光學空間調制器，產生相異的多個通孔，使多個光線通過該些通孔後，形成多個光型。針對不同的該些光型調整無窮物鏡模組與待測鏡片的距離(焦距)，使該些光型通過該待測鏡片與該無窮物鏡模組，並形成近似平行光的該些光型後，進入波前感應裝置。波前感應裝置，依據該些光型，擷取多個波前感應影像(WS影像)，其中該些WS影像不具有光點重疊現象。計算機依據一演算法拼接該些WS影像，以求得一波前變化資訊，並依據該波前變化資訊重建一波前。
於一實施例中，光學波前量測裝置更包含一 平行光源系統，用以產生該些光線，其中該些光線是平行光。
於一實施例中，無窮物鏡模組包含一無窮物 鏡及一軸傳動器。該些光型依序通過無窮物鏡模組與待測鏡片，該些光型通過無窮物鏡後形成多個聚集光點，並且軸傳動器調整無窮物鏡模組與待測鏡片的距離，使該些聚集光點位於待測鏡片的焦距。
於一實施例中，無窮物鏡模組包含一無窮物 鏡及一軸傳動器。該些光型依序通過待測鏡片與無窮物鏡模組，該些光型通過待測鏡片後形成多個聚集光點，並且軸傳動器調整無窮物鏡模組與待測鏡片的距離，使該些聚集光點位於無窮物鏡的焦距。
於一實施例中，演算法為一相拼接演算法、 一梯度拼接演算法或一最小平方擬合演算法。
於一實施例中，該些通孔的形狀為多個同心 形狀，其可以為圓形、方形或不規則形等。於一實施例中，該些通孔包含同心的一圓形及一第一環形，且第一環形之通孔的內徑不大於圓形之通孔的孔徑。較佳的情況是，該些通孔更包含一第二環形其與第一環形同心，且第二環形之通孔的內徑不大於第一環形之通孔的外徑。
依據本發明一實施例，光學波前量測方法用 以檢測一待測鏡片，並且包含以下步驟。利用一光學空間調制器，產生相異的多個通孔，使多個光線通過該些通孔後， 形成多個光型。針對不同的該些光型調整無窮物鏡模組與待測鏡片的距離(焦距)，使該些光型通過該待測鏡片與該無窮物鏡模組，並形成近似平行光的該些光型後，進入一波前感應裝置。利用波前感應裝置，依據該些光型，擷取多個波前感應影像(WS影像)，其中該些WS影像不具有光點重疊現象。利用一計算機，依據一演算法拼接該些WS影像，以求得一波前變化資訊，並依據該波前變化資訊重建一波前。
於一實施例中，該些通孔包含同心的一圓形及一第一環形。該利用一光學空間調制器，產生相異的多個通孔的步驟包含以下步驟。使該圓形的孔徑，每次遞增一預定值△r，直到第n次發現該圓形之通孔所對應的該WS影像產生光點重疊現象時，以第n-1次時的孔徑φn-1作為該圓形的孔徑。使該第一環形的內徑A0不大於該圓形的孔徑φn-1。使該第一環形之外徑，每次遞增一預定值△r，直到第n次發現該第一環形的通孔所對應的該WS影像產生光點重疊現象時，以第n-1次時的外徑An-1作為該第一環形的外徑An-1。
於一實施例中，該些通孔更包含一第二環形，且第二環形與第一環形同心，前述利用一光學空間調制器，產生相異的多個通孔的步驟包含以下步驟。使第二環形的內徑2A0不大於第一環形的外徑An-1。使第二環形之外徑，每次遞增一預定值△r，直到第n次發現第二環形的通孔所對應的WS影像產生光點重疊現象時，以第n-1次時的外徑2A n-1作為第二環形的外徑2An-1。
於一實施例中，演算法為一相拼接演算法、一梯度拼接演算法或一最小平方擬合演算法。
依據本發明一實施例，利用取得相異的且不具有fold over現象的多個WS影像，並且將該些WS影像加以拼接，取得拼接後的波前像差資訊，進而重建出一波前。因此，能夠解決高度像差下的橫向位移所產生之fold over現象的問題，適合於檢測非球面鏡片。
100‧‧‧Shack-Hartmann波前感測器
110‧‧‧鏡頭陣列(Lens Array)
120‧‧‧影像感測器(Image Sensor)
201‧‧‧光學波前量測裝置
210‧‧‧光學空間調制器
220‧‧‧無窮物鏡模組
221‧‧‧無窮物鏡
222‧‧‧Z軸傳動器
223‧‧‧聚集光點
230‧‧‧波前感應裝置
231‧‧‧鏡頭陣列
232‧‧‧影像感測器
240‧‧‧計算機
260‧‧‧平行光源系統
300‧‧‧待測鏡片
圖1顯示Shack-Hartmann波前感測器及相異光波之波前的示意圖。
圖2顯示高度像差情形之不同光點成像於同一鏡頭陣列的對應位置，兩光點產生重疊(fold over)的示意圖。
圖3顯示本發明一實施例之光學波前量測裝置的示意圖。
圖4顯示本發明另一實施例之光學波前量測裝置的示意圖。
圖5顯示光點重疊(fold over)現象的示意圖。
圖6顯示無光點重疊現象之圓形的φn-1WS影像的示意圖。
圖7顯示無光點重疊現象之第1個環形的An-1WS影像的示意圖。
圖8顯示無光點重疊現象之第2個環形的2An-1WS影像的示意圖。
圖9顯示不同孔徑分佈的示意圖。
圖10(A)顯示拼接前的各別波前變化的示意圖。
圖10(B)顯示將圖10(A)之各別波前變化加以拼接後之完整波前變化資訊的示意圖。
圖11顯示利用圖10(B)之拼接後的完整波前變化資訊來重建波前的示意圖。
圖12(A)及(B)顯示本發明一實施例之光學波前量測方法的流程圖。
下面結合附圖詳細說明本發明的較佳實施例。在說明本發明之前，如果認為公知結構或功能的相關說明可能非必要地混淆本發明的主旨，將省略其詳細說明。
圖3顯示本發明一實施例之光學波前量測裝置的示意圖。如圖3所示，光學波前量測裝置201用以檢測一待測鏡片300，其包含一光學空間調制器(Spatial Light Modulator,SLM)210、一無窮物鏡模組220、一波前感應裝置230及一計算機240。於一實施例中，光學波前量測裝置201還可以更包含一平行光源系統260。平行光源系統260用以產生一平行光線。光學空間調制器210用以在不同時間點產生不 同大小的通孔，通孔可以為通光圓形孔或通光環形孔，供平行光線通過後，形成圓形或環形的光型。光學空間調制器210可以採用穿透架構例如LCD；亦可以採用反射方式例如LCOS及DMD等。依據本發明一實施例，是利用分時的方式產生不同的多個平行光線，以在不同時間點進入不同的通孔後，形成多個相異的光型。以下，針對在某一時間點時的操作方式進行說明。
該光型穿過無窮物鏡模組220及待測鏡片300 後，於波前感應裝置230中產生一波前感測影像(WS影像)並且利用波前感應裝置230擷取WS影像，再傳送至計算機240。經由窮物鏡模組220或待測鏡片300將該光型產生一聚集光點223，搭配該WS影像，調整無窮物鏡模組220(於圖3實施例中為聚集光點223)與待測鏡片300間的距離，藉以使該光型以平行光進入波前感應裝置230。計算機240利用WS影像進行波前演算以產生一所需波前。
更具體而言，於圖3實施例中，光型依序先 經過無窮物鏡模組220、待測鏡片300後再進入波前感應裝置230。無窮物鏡模組220包含一無窮物鏡221及一Z軸傳動器222，無窮物鏡221產生一聚集光點223，Z軸傳動器222用以調整聚集光點223與待測鏡片300間的距離，使該光型以平行光進入波前感應裝置230，亦即使聚集光點223位於待測鏡片300的焦距後，該光型即可以平行光進入波前感應裝置230。
波前感應裝置230包含鏡頭陣列231及影像感測器232。該光型穿過鏡頭陣列231後，經由影像感測器232擷取到該WS影像後，傳送至計算機240。
計算機240用以控制光學空間調制器210、無窮物鏡模組220及波前感應裝置230，用以擷取WS影像、控制焦距調整、分析光點重疊(flod over)、拼接(如後述)及利用該WS影像進行波前演算，產生該所需波前。
圖4顯示本發明另一實施例之光學波前量測裝置的示意圖。圖4實施例相似於圖3實施例，因此相同的元件使用相同的符號，並省略其相關說明，以下僅說明相異處。如圖4所示，光型依序先經過待測鏡片300、無窮物鏡模組220後再進入波前感應裝置230。待測鏡片300將該光型形成一聚集光點223。Z軸傳動器222用以調整聚集光點223與無窮物鏡221間的距離，使該光型以平行光進入波前感應裝置230，亦即使聚集光點223位於無窮物鏡221的焦距後，該光型即可以平行光進入波前感應裝置230。
以下更進一步說明，以拼接方式克服光點重疊(fold over)問題的方法。
圖5顯示光點重疊(fold over)現象的示意圖。如圖5所示，平行光全數通過光學空間調制器(SLM)及完整的待測鏡片光瞳後，因待測鏡片帶有高度像差，而產生光點重疊(fold over)現象。
圖6顯示無光點重疊現象之圓形的φn-1WS影 像的示意圖。為了克服光點重疊現象，利用光學空間調制器210，產生一圓形通光孔，其孔徑為φ。並且，使該孔徑φ每次以△r遞增，同時調整Z軸焦距以最佳化波前，直到第n次孔徑φn發生光點重疊現象(於一實施例中，更確認孔徑φn及孔徑φn-1的兩WS影像之間無變化，如後述)時，停止孔徑變化，光學空間調制器210再切換至前一孔徑φn-1。波前感應裝置230擷取孔徑φn-1的WS影像，並利用計算機240記錄孔徑φn-1的WS影像(以下表示為φn-1WS影像)。此時φn-1WS影像如圖6所示。
在過程中，若光學空間調制器210產生的孔徑 變大，前後WS影像亦無變化時，即達到待測鏡片300的最大光瞳，此時停止孔徑變化。
圖7顯示無光點重疊現象之第1個環形的 An-1WS影像的示意圖。以孔徑φn-1為第1個環形的內徑A0作為啟點，使第1個環形的外徑每次以△r遞增，同時調整Z軸焦距以最佳化波前，直到第n次外徑An發生光點重疊現象(於一實施例中，更確認外徑An及外徑An-1的兩WS影像之間無變化，如後述)時，停止第1個環形外徑變化，光學空間調制器210再切換至前一外徑An-1。波前感應裝置230擷取具有外徑An-1的第1個環形An-1WS影像，並利用計算機240記錄第1個環形An-1WS影像(以下表示為An-1WS影像)。此時An-1WS影像如圖7 所示。
在過程中，若光學空間調制器210產生的外徑 變大，WS影像亦無變化時，即達到待測鏡片300的最大光瞳，此時停止孔徑變化。此外，於一實施例中，亦可以使作為啟點的內徑A0小於孔徑φn-1，亦即A0=φn-1-m*△r，其中m的大小為重複區域的大小，可以視所採用之拼接方式而決定，當m=0時無重複區域。
圖8顯示無光點重疊現象之第2個環形的 2An-1WS影像的示意圖。以第1個環形的外徑An-1作為第2個環形的內徑2A0，使第2個環形的外徑每次以△r遞增，同時調整Z軸焦距以最佳化波前，直到第n次第2個環形的外徑2An發生光點重疊現象(於一實施例中，更確認外徑2An及外徑2An-1的兩WS影像之間無變化，如後述)時，停止外徑變化，光學空間調制器210再切換至前一外徑2An-1。波前感應裝置230擷取具有外徑2An-1的第2個環形的2An-1WS影像，並利用計算機240記錄第2個環形的2An-1WS影像(以下表示為2An-1WS影像)。此時2An-1WS影像如圖8所示。
在過程中，若光學空間調制器210產生的外徑 變大，外徑2An及外徑2An-1的兩WS影像之間無變化時，即達到待測鏡片300的最大光瞳，此時停止孔徑變化。此外，於一實施例中，亦可以使作為啟點的內徑2A0小於第1個環形的外徑An-1，亦即2A0=An-1-m*△r，其中m的大小為重複區域的大 小，可以視所採用之拼接方式而決定，當m=0時無重複區域。
圖9顯示不同孔徑分佈的示意圖。如圖9所 示，重復上述步驟，即可求得沒有光點重疊現象的多個WS影像，該些WS影像包含φn-1WS影像、An-1WS影像、2An-1WS影像、……、xAn-1WS影像。
圖10(A)顯示拼接前的各別波前變化的示 意圖。接著，如圖10(A)所示，利用該些WS影像可以分別求得各別波前變化。
圖10(B)顯示將圖10(A)之各別波前變化 加以拼接後之完整波前變化資訊的示意圖。如圖10(B)所示，利用前述步驟，求得該些WS影像之後，再利用各種演算法，來將該些WS影像拼接，以求得拼接後的完整波前變化資訊。前述演算法可以採用例如相拼接演算法(phase stitching algorithm,PSA)、梯度拼接演算法(gradient stitching algorithm,GSA)及最小平方擬合演算法(least-square fitting,LSF)等方法，來取得完整波前變化資訊。
最後，重建完整光瞳的波前。如圖11所示， 其顯示利用圖10(B)之拼接後的完整波前變化資訊來重建波前的示意圖。
以下更具體地說明本發明之光學波前量測 方法的一示例。圖12(A)及(B)顯示本發明一實施例之光學波前量測方法的流程圖。如圖12(A)所示，光學波前量 測方法包含以下步驟。SLM 210從系統軸心以△r遞增方式加大通光圓形孔孔徑φ(步驟1)。隨後，調整Z-Focus(調整Z軸焦距)，使聚集光點223位於待測鏡片300的焦距(步驟2)，並且確認WS影像是否發生光點重疊現象(fold over)，若無fold over時回到步驟1，若無fold over且φn與φn-1WS影像之間無變化時進行步驟3，亦即將φn-1圓形以Zernike多項式進行波前重建演算(步驟3)。若有fold over時執行步驟4，亦即記錄φn-1WS影像(步驟4)。
接著，如圖12(B)所示，以φn-1-m*△r=A0 為內徑，以△r遞增方式加大通光環形孔徑(m視重復區域大小而定)(步驟5)。隨後，調整Z-Focus(調整Z軸焦距)，使聚集光點223位於待測鏡片300的焦距(步驟6)，並且確認WS影像是否發生光點重疊現象(fold over)，若無fold over時回到步驟5，若無fold over且An與An-1WS影像之間無變化時進行步驟7，亦即將φn-1~AnWS影像以Zernike多項式進行波前重建演算(步驟7)。若有fold over時執行步驟8，亦即記錄An-1WS影像(步驟8)。
最後，重覆上述步驟5~8記錄各個不同大小 的環形WS影像(步驟9)，在無fold over且xAn與xAn-1WS影像之間無變化時進行步驟10，亦即將φn-1、An-1、…、xAn-1WS影像拼接及進行波前重建演算。
綜上所述，依據本發明一實施例，依據本發 明一實施例，利用取得相異的且不具有fold over現象的多個WS影像，並且將該些WS影像加以拼接，取得拼接後的波前像差，進而計算出一波前。因此，能夠解決高度像差下的橫向位移所產生之fold over現象的問題，適合於檢測非球面鏡片。
201‧‧‧光學波前量測裝置
210‧‧‧光學空間調制器
220‧‧‧無窮物鏡模組
221‧‧‧無窮物鏡
222‧‧‧Z軸傳動器
223‧‧‧聚集光點
230‧‧‧波前感應裝置
231‧‧‧鏡頭陣列
232‧‧‧影像感測器
240‧‧‧計算機
260‧‧‧平行光源系統
300‧‧‧待測鏡片

Claims (11)

  1. 一種光學波前量測裝置，用以檢測一待測鏡片，其包括：一光學空間調制器、一波前感應裝置、一無窮物鏡模組及一計算機，其中該光學空間調制器，產生相異的多個通孔，使多個光線通過該些通孔後，形成多個光型，該無窮物鏡模組，針對該些光型調整該無窮物鏡模組與該待測鏡片的距離，使該些光型通過該待測鏡片與該無窮物鏡模組，並形成近似平行光的該些光型後，進入該波前感應裝置，該波前感應裝置，依據該些光型，擷取多個波前感應影像(WS影像)，其中該些WS影像不具有光點重疊現象，該計算機，依據一演算法拼接該些WS影像，以求得一波前變化資訊，並依據該波前變化資訊重建一波前。
  2. 根據請求項1所述的光學波前量測裝置，更包含一平行光源系統，用以產生該些光線，其中該些光線是平行光。
  3. 根據請求項1所述的光學波前量測裝置，其中該無窮物鏡模組包含一無窮物鏡及一軸傳動器，且該些光型依序通過該無窮物鏡模組與該待測鏡片，該些光型通過該無窮物鏡後形成多個聚集光點，並且該軸傳動器調整該無窮物鏡模組與該待測鏡片的距離，使該些聚 集光點位於該待測鏡片的焦距。
  4. 根據請求項1所述的光學波前量測裝置，其中該無窮物鏡模組包含一無窮物鏡及一軸傳動器，且該些光型依序通過該待測鏡片與該無窮物鏡模組，該些光型通過該待測鏡片後形成多個聚集光點，並且該軸傳動器調整該無窮物鏡模組與該待測鏡片的距離，使該些聚集光點位於該無窮物鏡的焦距。
  5. 根據請求項1所述的光學波前量測裝置，其中，該演算法為一相拼接演算法、一梯度拼接演算法或一最小平方擬合演算法。
  6. 根據請求項1所述的光學波前量測裝置，其中該些通孔包含同心的一圓形及一第一環形，且該第一環形之通孔的內徑不大於該圓形之通孔的孔徑。
  7. 根據請求項6所述的光學波前量測裝置，其中該些通孔更包含一第二環形，其與該第一環形同心，且該第二環形之通孔的內徑不大於該第一環形之通孔的外徑。
  8. 一種光學波前量測方法，用以檢測一待測鏡片，其包括：利用一光學空間調制器，產生相異的多個通孔，使多個光線通過該些通孔後，形成多個光型；針對該些光型調整該無窮物鏡模組與該待測鏡片的距離，使該些光型通過該待測鏡片與該無窮物鏡模組，並形成 近似平行光的該些光型後，進入一波前感應裝置；利用該波前感應裝置，依據該些光型，擷取多個波前感應影像(WS影像)，其中該些WS影像不具有光點重疊現象；及利用一計算機，依據一演算法拼接該些WS影像，以求得一波前變化資訊，並依據該波前變化資訊重建一波前。
  9. 根據請求項8所述的光學波前量測方法，其中該些通孔包含同心的一圓形及一第一環形，該利用一光學空間調制器，產生相異的多個通孔的步驟包含：使該圓形的孔徑，每次遞增一預定值△r，直到第n次發現該圓形之通孔所對應的該WS影像產生光點重疊現象時，以第n-1次時的孔徑φn-1作為該圓形的孔徑，使該第一環形的內徑A0不大於該圓形的孔徑φn-1，及使該第一環形之外徑，每次遞增一預定值△r，直到第n次發現該第一環形的通孔所對應的該WS影像產生光點重疊現象時，以第n-1次時的外徑An-1作為該第一環形的外徑An-1。
  10. 根據請求項9所述的光學波前量測方法，其中該些通孔更包含一第二環形，且該第二環形與該第一環形同心，該利用一光學空間調制器，產生相異的多個通孔的步驟包 含：使該第二環形的內徑2A0不大於該第一環形的外徑An-1，及使該第二環形之外徑，每次遞增一預定值△r，直到第n次發現該第二環形的通孔所對應的該WS影像產生光點重疊現象時，以第n-1次時的外徑2An-1作為該第二環形的外徑2An-1。
  11. 根據請求項8所述的光學波前量測方法，其中，該演算法為一相拼接演算法、一梯度拼接演算法或一最小平方擬合演算法。
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