專利名稱：共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，可用于光學(xué)鏡組及透鏡球差的高精度檢測(cè)。
背景技術(shù)：
對(duì)于成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，像差是影響其成像質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。如果成像系統(tǒng)是理想的光學(xué)系統(tǒng)，則同一物點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后聚焦為同一理想像點(diǎn)。但由于像差的存在，同一物點(diǎn)的光經(jīng)過(guò)實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)后會(huì)在像空間形成具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的像散光束，會(huì)嚴(yán)重影響成像光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。而軸上球差是眾多像差中的一種重要形式，其大小將嚴(yán)重影響諸如準(zhǔn)直透鏡、擴(kuò)束鏡等光學(xué)系統(tǒng)的性能，因而如何更高精度地檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的球差成了光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)難題。傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)軸向球差測(cè)量通常是采用星點(diǎn)像法或刀口陰影法，其測(cè)量結(jié)果很大程度上都與操作人員的主觀因素有關(guān)，而且這兩種測(cè)量方法都只能給出定性或近似定量的測(cè)量結(jié)果，精度極低。哈特曼像差測(cè)量方法的出現(xiàn)為光學(xué)系統(tǒng)球差的定量測(cè)量提供了一條可行途徑。在哈特曼像差測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)系統(tǒng)的幾何像差可以通過(guò)直接觀察光束傳輸?shù)穆窂浇馑愕弥霖璊。發(fā)表在《APPLIED OPTICS》中的《Measurement of spherical aberrations using asolid-state image sensor)) 一文提到,將固體圖像傳感技術(shù)與哈特曼像差測(cè)量方法結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)球差的在線測(cè)量，并將球差測(cè)量精度提高到5-10um。發(fā)表在《強(qiáng)激光與粒子束》中的《掃描型哈特曼檢測(cè)裝置研究》一文表明，中國(guó)科學(xué)院上海精密科學(xué)研究所已于2005年研制成功一種可用于球差測(cè)量的掃描型哈特曼檢測(cè)新裝置，該裝置實(shí)測(cè)的球差值與理論球差值最大偏差為14.6%。但是受系統(tǒng)成像清晰度及固體圖像傳感器信噪比所限，哈特曼像差測(cè)量方法的精度很難有進(jìn)一步的提高。此外，學(xué)者們還提出了利用其他原理測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)球差的方法，如發(fā)表在《光學(xué)學(xué)報(bào)》中的《二次光柵在波前測(cè)量中的應(yīng)用》一文提到，利用特殊設(shè)計(jì)的一種二次光柵，可用于激光光束波前的測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)球差的測(cè)量；再如發(fā)表在《應(yīng)用光學(xué)》中的《軸向球差自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)》介紹了一種利用CCD細(xì)分刀口陰影圖的方法測(cè)量系統(tǒng)球差，該論文采用CCD將刀口陰影圖細(xì)分后經(jīng)圖像去噪、銳化處理，實(shí)現(xiàn)陰影圖中亮暗環(huán)分界位置的定位，步進(jìn)電機(jī)配合精密螺桿在計(jì)算機(jī)控制下可對(duì)刀口的位置進(jìn)行精密控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)球差的測(cè)量，但是受亮暗環(huán)分界位置識(shí)別精度所限，該方法的測(cè)量精度很難提高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外顯微成像領(lǐng)域的共焦技術(shù)迅速發(fā)展，其與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比具有良好的層析能力，較高的軸向定位瞄準(zhǔn)精度，較強(qiáng)的環(huán)境抗干擾能力；與差動(dòng)共焦技術(shù)相比，共焦技術(shù)光路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明人在共焦顯微成像技術(shù)的啟發(fā)下，率先提出將共焦測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于元件參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，利用共焦技術(shù)的高軸向分辨率提高元件參數(shù)的檢測(cè)精度，現(xiàn)已申請(qǐng)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，例如專利“共焦透鏡中心厚度測(cè)量方法與裝 置”(專利號(hào):201010128449. 8)，專利“共焦鏡組軸向間隙測(cè)量方法與裝置”(專利號(hào)201010128405. 5)等。
本發(fā)明是基于共焦技術(shù)的系統(tǒng)像差參數(shù)測(cè)量方法，由于共焦技術(shù)具有高分辨軸向定焦能力，且不易受環(huán)境干擾，所以將該技術(shù)用于系統(tǒng)球差的檢測(cè)，相比于以往測(cè)量方法具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)及智能化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高光學(xué)鏡組及透鏡球差的測(cè)量精度，本發(fā)明提出一種共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法。該共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法的核心思想是，將環(huán)形光瞳濾波技術(shù)和共焦定焦技術(shù)融合，測(cè)得當(dāng)不同通光高度的環(huán)形光束通過(guò)被測(cè)系統(tǒng)后，其聚焦焦點(diǎn)移動(dòng)的距離，進(jìn)而得到被測(cè)系統(tǒng)的球差。本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，包括以下步驟(a)打開點(diǎn)光源，其發(fā)出的光經(jīng)分光鏡、準(zhǔn)直透鏡、環(huán)形光瞳和被測(cè)系統(tǒng)后照射在 平面反射鏡上，由平面反射鏡的表面反射，反射回來(lái)的光經(jīng)被測(cè)系統(tǒng)、環(huán)形光瞳和準(zhǔn)直透鏡后由分光鏡反射進(jìn)入共焦測(cè)量系統(tǒng)；(b)調(diào)整被測(cè)系統(tǒng)，使其與準(zhǔn)直透鏡共光軸，準(zhǔn)直透鏡將點(diǎn)光源產(chǎn)生的光準(zhǔn)直成平行光，平行光通過(guò)環(huán)形光瞳后形成環(huán)形光束照射在被測(cè)系統(tǒng)上，由被測(cè)系統(tǒng)會(huì)聚形成測(cè)量光束照射在平面反射鏡上，調(diào)整平面反射鏡，使其與準(zhǔn)直透鏡共光軸；(C)沿光軸方向移動(dòng)平面反射鏡，使測(cè)量光束的聚焦焦點(diǎn)與平面反射鏡表面接近，在該位置附近掃描平面反射鏡，由共焦測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得共焦響應(yīng)曲線，通過(guò)共焦響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)來(lái)確定測(cè)量光束的焦點(diǎn)與平面反射鏡的表面相重合，進(jìn)而精確確定該環(huán)形光瞳對(duì)應(yīng)的測(cè)量光束的聚焦焦點(diǎn)位置；(d)當(dāng)環(huán)形光瞳的內(nèi)環(huán)半徑& = O時(shí)，環(huán)形光瞳簡(jiǎn)化為圓形光瞳，用圓形光瞳作用于被測(cè)系統(tǒng)，測(cè)得被測(cè)系統(tǒng)的近軸光束聚焦焦點(diǎn)位置Ztl ；(e)更換具有不同通光高度的環(huán)形光瞳，測(cè)得當(dāng)環(huán)形光瞳的通光高度為Ii1 匕時(shí)測(cè)量光束的聚焦焦點(diǎn)位置Z1 zn,則被測(cè)系統(tǒng)在通光高度為Ii1 hn時(shí)，對(duì)應(yīng)的球差分別為δ Ln/ =Zn-Z0本發(fā)明所述的共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，為了全面而又概括地表示出被測(cè)系統(tǒng)在不同通光高度下的球差，還可以取若干個(gè)具有代表性的歸一化通光高度時(shí)的被測(cè)系統(tǒng)球差來(lái)描述整個(gè)光束的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所述的共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，還可以將環(huán)形光瞳替換為振幅型空間光調(diào)制器，通過(guò)振幅型空間光調(diào)制器將平行光束調(diào)制為具有一定通光高度的環(huán)形光束，提高了環(huán)形光束的切換速度及測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。本發(fā)明所述的共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，還可以在測(cè)量光束中增加焦深壓縮光學(xué)系統(tǒng)，使其與共焦測(cè)量系統(tǒng)配合工作，提高定焦靈敏度。本發(fā)明所述的共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，還可以對(duì)點(diǎn)光源發(fā)出的光進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，由共焦測(cè)量系統(tǒng)中的光強(qiáng)傳感器探測(cè)得到受調(diào)制的共焦響應(yīng)信號(hào)，將該調(diào)制信號(hào)解調(diào)后得到共焦響應(yīng)曲線，從而提高系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾能力。有益效果
本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)I.首次提出將環(huán)形光瞳濾波技術(shù)和共焦定焦技術(shù)融合，利用共焦響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)確定具有不同通光高度的環(huán)形光束通過(guò)被測(cè)系統(tǒng)后的聚焦焦點(diǎn)位置，進(jìn)而得到被測(cè)系統(tǒng)的球差；2.本測(cè)量方法中，共焦原理以光強(qiáng)響應(yīng)曲線作為定焦判據(jù)，并配合共焦系統(tǒng)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制與濾波，能有效削減空氣擾動(dòng)等環(huán)境干擾對(duì)測(cè)量精度的影響；3.在該測(cè)量方法中引入振幅型空間光調(diào)制器，通過(guò)振幅型空間光調(diào)制器將平行光束調(diào)制為具有一定通光高度的環(huán)形光束，提高了環(huán)形光束的切換速度及測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)
I.共焦技術(shù)以軸向的光強(qiáng)響應(yīng)曲線作為評(píng)價(jià)尺度，由于光學(xué)系統(tǒng)的物距變化引起的軸向放大率變化是垂軸放大率變化的平方，所以本發(fā)明相比其他系統(tǒng)球差測(cè)量方法具有更高的測(cè)量精度；2.共焦測(cè)量系統(tǒng)光路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可有效降低系統(tǒng)研發(fā)成本；3.該測(cè)量光路簡(jiǎn)單且緊湊，有效減弱了環(huán)境擾動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響。


圖I為本發(fā)明共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法的示意圖；圖2為本發(fā)明中環(huán)形光瞳的示意圖；圖3為本發(fā)明中具有不同通光高度的環(huán)形光束聚焦焦點(diǎn)位置的示意圖；圖4為本發(fā)明共焦系統(tǒng)球差測(cè)量實(shí)施例的示意圖；圖5為本發(fā)明由共焦測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)得到的共焦響應(yīng)曲線；圖6為本發(fā)明測(cè)得的被測(cè)系統(tǒng)通光高度與球差的關(guān)系曲線；其中1_點(diǎn)光源、2-分光鏡、3-準(zhǔn)直透鏡、4-環(huán)形光瞳、5-被測(cè)系統(tǒng)、6-測(cè)量光束、7-平面反射鏡、8-針孔、9-光強(qiáng)傳感器、10-共焦測(cè)量系統(tǒng)、11-顯微物鏡、12-CXD探測(cè)器、13-主控計(jì)算機(jī)、14-圖像采集卡、15-機(jī)電控制裝置、16-直線平移導(dǎo)軌、17- 二維調(diào)整架、18-點(diǎn)光源發(fā)生裝置、19-光纖、20-激光器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明使用一種基于共焦測(cè)量技術(shù)的系統(tǒng)球差測(cè)量方法，顯著提高了被測(cè)系統(tǒng)球差的測(cè)量精度。其核心思想是，將環(huán)形光瞳濾波技術(shù)和共焦定焦技術(shù)融合，測(cè)得當(dāng)不同通光高度的環(huán)形光束通過(guò)被測(cè)系統(tǒng)后其聚焦焦點(diǎn)移動(dòng)的距離，進(jìn)而得到被測(cè)系統(tǒng)的球差。實(shí)施例I當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)5是口徑為D = 76mm、材料為K9玻璃、厚度b = 8mm、焦距f' = 500mm
的平凸透鏡時(shí)，共焦系統(tǒng)球差測(cè)量裝置如圖4所示，其測(cè)量步驟是(a)啟動(dòng)主控計(jì)算機(jī)13中的測(cè)量軟件，打開激光器20，激光器20所發(fā)出的光經(jīng)光纖19傳輸后形成點(diǎn)光源I。點(diǎn)光源I發(fā)出的光經(jīng)分光鏡2、準(zhǔn)直透鏡3和環(huán)形光瞳4后形成波面為平面的環(huán)形光束；
(b)將平面反射鏡7放置于二維調(diào)整架17上，通過(guò)二維調(diào)整架17調(diào)整平面反射鏡7，使其表面與準(zhǔn)直透鏡3的光軸相垂直；(c)將被測(cè)系統(tǒng)5放置于環(huán)形光瞳4和平面反射鏡7之間，調(diào)整被測(cè)系統(tǒng)5，使其與準(zhǔn)直透鏡3共光軸。環(huán)形光束照射在被測(cè)系統(tǒng)5上，由被測(cè)系統(tǒng)5會(huì)聚形成測(cè)量光束6照射在平面反射鏡7上；(d)主控計(jì)算機(jī)13中的測(cè)量軟件通過(guò)機(jī)電控制裝置15控制直線平移導(dǎo)軌16軸向平移，進(jìn)而帶動(dòng)平面反射鏡7沿光軸方向移動(dòng)。將平面反射鏡7移動(dòng)到其表面與測(cè)量光束6的聚焦焦點(diǎn)相接近，然后在該位置附近掃描平面反射鏡7，測(cè)量軟件通過(guò)圖像采集卡14采集得到焦點(diǎn)光斑數(shù)據(jù)并處理出如附圖5所示的共焦響應(yīng)曲線。通過(guò)共焦響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)來(lái)確定測(cè)量光束6的焦點(diǎn)與平面反射鏡7的表面相重合，進(jìn)而精確確定該環(huán)形光瞳4所對(duì)應(yīng)的測(cè)量光束的聚焦焦點(diǎn)位置；(e)當(dāng)如附圖2所示的環(huán)形光瞳4的內(nèi)環(huán)半徑ra = O時(shí)，環(huán)形光瞳4簡(jiǎn)化為圓形光瞳，用圓形光瞳作用于被測(cè)系統(tǒng)5，通過(guò)步驟(d)測(cè)得被測(cè)系統(tǒng)5的近軸光束聚焦焦點(diǎn)位置 z。= O. 0102mm ；(f)更換一系列具有不同內(nèi)環(huán)半徑&及外環(huán)半徑rb的環(huán)形光瞳4，其通光高度可通過(guò)下式算得

權(quán)利要求
1.共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，其特征在于 (a)打開點(diǎn)光源，其發(fā)出的光經(jīng)分光鏡、準(zhǔn)直透鏡、環(huán)形光瞳和被測(cè)系統(tǒng)后照射在平面反射鏡上，由平面反射鏡的表面反射，反射回來(lái)的光經(jīng)被測(cè)系統(tǒng)、環(huán)形光瞳和準(zhǔn)直透鏡后由分光鏡反射進(jìn)入共焦測(cè)量系統(tǒng)； (b)調(diào)整被測(cè)系統(tǒng)，使其與準(zhǔn)直透鏡共光軸，準(zhǔn)直透鏡將點(diǎn)光源產(chǎn)生的光準(zhǔn)直成平行光，平行光通過(guò)環(huán)形光瞳后形成環(huán)形光束照射在被測(cè)系統(tǒng)上，由被測(cè)系統(tǒng)會(huì)聚形成測(cè)量光束照射在平面反射鏡上，調(diào)整平面反射鏡，使其與準(zhǔn)直透鏡共光軸； (C)沿光軸方向移動(dòng)平面反射鏡，使測(cè)量光束的聚焦焦點(diǎn)與平面反射鏡表面接近，在該位置附近掃描平面反射鏡，由共焦測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得共焦響應(yīng)曲線，通過(guò)共焦響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)來(lái)確定測(cè)量光束的焦點(diǎn)與平面反射鏡的表面相重合，進(jìn)而精確確定該環(huán)形光瞳對(duì)應(yīng)的測(cè)量光束的聚焦焦點(diǎn)位置； (d)當(dāng)環(huán)形光瞳的內(nèi)環(huán)半gra= O時(shí),環(huán)形光瞳簡(jiǎn)化為圓形光瞳,用圓形光瞳作用于被測(cè)系統(tǒng)，測(cè)得被測(cè)系統(tǒng)的近軸光束聚焦焦點(diǎn)位置Ztl ； (e)更換具有不同通光高度的環(huán)形光瞳，測(cè)得當(dāng)環(huán)形光瞳的通光高度為Ii1 hn時(shí)測(cè)量光束的聚焦焦點(diǎn)位置Z1 Zn，則被測(cè)系統(tǒng)在通光高度為h hn時(shí)，對(duì)應(yīng)的球差分別為δ Ln — ζη~ζ0 ο
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，其特征在于為了全面而又概括地表不出被測(cè)系統(tǒng)在不同通光高度下的球差，取若干個(gè)具有代表性的歸一化通光高度時(shí)的被測(cè)系統(tǒng)球差來(lái)描述整個(gè)光束的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，其特征在于將環(huán)形光瞳替換為振幅型空間光調(diào)制器，通過(guò)振幅型空間光調(diào)制器將平行光束調(diào)制為具有一定通光高度的環(huán)形光束，提高了環(huán)形光束的切換速度及測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，其特征在于在測(cè)量光束中增加焦深壓縮光學(xué)系統(tǒng)，使其與共焦測(cè)量系統(tǒng)配合工作，提高定焦靈敏度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法，其特征在于對(duì)點(diǎn)光源發(fā)出的光進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，由共焦測(cè)量系統(tǒng)中的光強(qiáng)傳感器探測(cè)得到受調(diào)制的共焦響應(yīng)信號(hào)，將該調(diào)制信號(hào)解調(diào)后得到共焦響應(yīng)曲線，從而提高系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾能力。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種共焦系統(tǒng)球差測(cè)量方法。該方法將環(huán)形光瞳濾波技術(shù)和共焦定焦技術(shù)融合，測(cè)得當(dāng)不同通光高度的環(huán)形光束通過(guò)被測(cè)系統(tǒng)后其聚焦焦點(diǎn)移動(dòng)的距離，進(jìn)而得到被測(cè)系統(tǒng)的球差。本發(fā)明首次將共焦測(cè)量技術(shù)擴(kuò)展到系統(tǒng)球差測(cè)量領(lǐng)域，具有測(cè)量精度高、光路簡(jiǎn)單、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于系統(tǒng)球差的高精度檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102661853SQ20121014064
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者吳華玲, 李志剛, 楊佳苗, 趙維謙, 邱麗榮, 邵榮君 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)