專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于光柵剪切干涉檢測(cè)系統(tǒng)的微透鏡定焦檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光柵剪切干涉檢測(cè)系統(tǒng)的微透鏡定焦檢測(cè)方法，可用于微透鏡及其陣列元件的精密定焦測(cè)量。
背景技術(shù)：
微透鏡由于其自身的衍射效率高、工作波段寬、集成化和微型化程度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光準(zhǔn)直、光信息處理、光計(jì)算和光互連等領(lǐng)域。隨著微光學(xué)技術(shù)的提高和微細(xì)加工工藝的提高，微透鏡向著微型化和陣列化的方向發(fā)展，其重要標(biāo)志是微透鏡陣列元件的出現(xiàn)。微透鏡陣列是作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中哈特曼-沙克波前傳感器的核心部件，其定焦檢測(cè)精度影響自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的裝配和波前檢測(cè)精度。
由于微透鏡及其陣列元件的應(yīng)用廣泛，其定焦檢測(cè)方法也越來(lái)越多。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法包括光強(qiáng)計(jì)檢測(cè)法、圖像清晰度函數(shù)定焦方法、彩色CCD攝像法、光纖探針掃描法和干涉儀定焦法等。光強(qiáng)計(jì)檢測(cè)法是利用光強(qiáng)計(jì)在微透鏡焦面附近移動(dòng)，當(dāng)光強(qiáng)計(jì)顯示的光強(qiáng)值為極大值時(shí)即可認(rèn)為該位置為微透鏡的焦面位置。該方法進(jìn)行微透鏡定焦測(cè)量時(shí)操作簡(jiǎn)便易行，但受檢測(cè)環(huán)境影響較大，精度不高。同時(shí)，對(duì)微透鏡陣列元件進(jìn)行定焦時(shí)，該方法只能確定微透鏡陣列的平均焦距，不能滿(mǎn)足微透鏡陣列的定焦要求。圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)定焦方法是基于數(shù)字圖像處理分析原理的一種定焦方法。根據(jù)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的不同，主要分為圖像梯度能量函數(shù)、圖像拉普拉斯能量函數(shù)、灰度平均值函數(shù)和灰度方差函數(shù)等幾類(lèi)?；叶确讲詈瘮?shù)由于計(jì)算簡(jiǎn)便，應(yīng)用較多常用于微透鏡及其陣列元件的定焦測(cè)量β ΣΣ[4·γ，·>,)-W=式中，g(x, y)為CXD探測(cè)器采集的數(shù)字圖像各點(diǎn)處的灰度值，μ為數(shù)字圖像灰度值的平均值，Μ，N為數(shù)字圖像的行數(shù)和列數(shù)。從上式可知，采集的數(shù)字圖像越清晰(圖像銳度越大)，相鄰像素間的灰度差值越大，其灰度方差函數(shù)也越大。當(dāng)CCD探測(cè)器沿光軸移動(dòng)時(shí)，在微透鏡焦面上，其圖像最清晰，灰度方差函數(shù)取極大值。根據(jù)圖像灰度方差函數(shù)的變化趨勢(shì)即可完成微透鏡及其陣列元件的定焦。該方法檢測(cè)精度較高，一次采集圖像可完成微透鏡多個(gè)陣列的定焦測(cè)量；但在微透鏡焦面附近采集圖像數(shù)較多，數(shù)據(jù)計(jì)算量較大從而限制其檢測(cè)效率且受CCD探測(cè)器暗電流等噪聲影響，對(duì)大F數(shù)的微透鏡及其陣列元件的檢測(cè)精度焦低，不適于大F數(shù)的微透鏡定焦測(cè)量。彩色CCD攝像法是利用CCD光譜響應(yīng)寬、穩(wěn)定性好合操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，利用CCD探測(cè)器直接檢測(cè)微透鏡成像光斑從而完成微透鏡定焦測(cè)量。該方法不僅可以測(cè)量單色光的光斑，還可以測(cè)量復(fù)合光的光斑；但測(cè)量過(guò)程中，CCD探測(cè)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)測(cè)量精度影響較大，CCD探測(cè)器的光電響應(yīng)不均勻性和非線(xiàn)性將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。光纖探針掃描法是將探針移動(dòng)到光斑附近進(jìn)行橫向二維掃描，所得光學(xué)信號(hào)經(jīng)光學(xué)探針收集后經(jīng)單模光纖傳輸?shù)焦怆姳对龉苓M(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)重構(gòu)稱(chēng)為光斑能量分布圖。該方法可以對(duì)微透鏡進(jìn)行定焦測(cè)量；但該方法測(cè)量精度受探針制作工藝、掃描器的性能和步進(jìn)電機(jī)步精度影響，同時(shí)利用探針二維掃描操作較復(fù)雜且對(duì)微透鏡像差影響的抗干擾能力較差。干涉儀定焦法是利用干涉儀條紋變化完成對(duì)微透鏡及其陣列元件的定焦測(cè)量。在微透鏡后方放置一個(gè)平面鏡，當(dāng)調(diào)節(jié)干涉儀出射光與被測(cè)微透鏡共焦時(shí)，干涉儀的出射光線(xiàn)沿原路返回。根據(jù)費(fèi)馬原理，返回光線(xiàn)光程差一致，干涉儀中不出現(xiàn)干涉條紋。該方法通過(guò)條紋變化即可完成微透鏡及其陣列元件的定焦檢測(cè)；但該方法操作較復(fù)雜，測(cè)量效率偏低且測(cè)量成本較高。同時(shí)，由于微透鏡及其陣列元件像差的影響，該方法測(cè)量精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有定焦技術(shù)在微透鏡及其陣列元件精密定焦測(cè)量上不足，提供一種新的檢測(cè)方法，用于微透鏡及其陣列元件的精確定焦測(cè)量。同時(shí)根據(jù)·微透鏡陣列元件陣列數(shù)較多的現(xiàn)狀，兼顧定焦測(cè)量的效率和精度，使該方法可用于陣列數(shù)較多的微透鏡陣列元件的定焦檢測(cè)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題，采取的技術(shù)方案是一種基于光柵剪切干涉檢測(cè)系統(tǒng)的微透鏡定焦檢測(cè)方法，該檢測(cè)系統(tǒng)由He-Ne激光器、聚光鏡、平行光管、小孔擋板、被測(cè)微透鏡、郎奇光柵和CXD探測(cè)器組成，通過(guò)郎奇光柵的O級(jí)和I級(jí)衍射光干涉產(chǎn)生的條紋變化狀況，完成被測(cè)微透鏡的定焦檢測(cè)，該方法通過(guò)以下步驟完成對(duì)被測(cè)微透鏡的定焦測(cè)量步驟I :將郎奇光柵置于被測(cè)微透鏡的焦前，利用微移平臺(tái)移動(dòng)CCD探測(cè)，使郎奇光柵在CXD探測(cè)器上清晰成像即CXD探測(cè)器的像面與郎奇光柵的刻畫(huà)表面重合；步驟2 :移動(dòng)CXD探測(cè)器，使其成像焦面與郎奇光柵的軸向距離為h并用CXD探測(cè)器測(cè)量干涉條紋的周期P1;步驟3 :移動(dòng)郎奇光柵，使其位于被測(cè)微透鏡的焦后，利用CCD探測(cè)器測(cè)量干涉條紋的周期P2 ;步驟4 :根據(jù)兩次測(cè)量時(shí)條紋周期的變化，結(jié)合郎奇光柵移動(dòng)的距離1，即可分別計(jì)算郎奇光柵兩次測(cè)量時(shí)的離焦量S1和S2 ；步驟5 :根據(jù)郎奇光柵的離焦量S1和CCD探測(cè)器與郎奇光柵的距離h即可計(jì)算CCD探測(cè)器的離焦位置z z = ii - s' = h--—~I
P1+P2將CXD探測(cè)器向被測(cè)微透鏡移動(dòng)z即可完成對(duì)被測(cè)微透鏡的定焦測(cè)量。進(jìn)一步的，步驟4中的離焦量S1和S2具體計(jì)算方法如下根據(jù)物理光學(xué)理論P(yáng)i =; PPi = — P式中P為CCD探測(cè)器(7)測(cè)量的郎奇光柵(6)的周期，根據(jù)兩次測(cè)量干涉條紋周期的變化關(guān)系P1S1 = P2S2結(jié)合光柵移動(dòng)距離I = Sl+S2，分別計(jì)算兩次測(cè)量時(shí)光柵離焦量
權(quán)利要求
1.一種基于光柵剪切干涉檢測(cè)系統(tǒng)的微透鏡定焦檢測(cè)方法，該檢測(cè)系統(tǒng)由He-Ne激光器(I)、聚光鏡(2)、平行光管(3)、小孔擋板(4)、被測(cè)微透鏡(5)、郎奇光柵(6)和CXD探測(cè)器(7)組成，通過(guò)郎奇光柵(6)的O級(jí)和I級(jí)衍射光干涉產(chǎn)生的條紋變化狀況，完成被測(cè)微透鏡(5)的定焦檢測(cè)，其特征是該方法可通過(guò)以下步驟完成對(duì)被測(cè)微透鏡(5)的定焦測(cè)量 步驟I :將郎奇光柵(6)置于被測(cè)微透鏡(5)的焦前，利用微移平臺(tái)移動(dòng)C⑶探測(cè)(7)，使郎奇光柵(6)在CXD探測(cè)器(7)上清晰成像即CXD探測(cè)器(7)的像面與郎奇光柵(6)的刻畫(huà)表面重合； 步驟2:移動(dòng)CXD探測(cè)器(7)，使其成像焦面與郎奇光柵(6)的軸向距離為h并用C⑶探測(cè)器(7)測(cè)量干涉條紋的周期P1 ； 步驟3 :移動(dòng)郎奇光柵(6)，使其位于被測(cè)微透鏡(5)的焦后，利用CXD探測(cè)器(7)測(cè)量干涉條紋的周期P2; 步驟4 :根據(jù)兩次測(cè)量時(shí)條紋周期的變化，結(jié)合郎奇光柵(6)移動(dòng)的距離1，即可分別計(jì)算郎奇光柵(6)兩次測(cè)量時(shí)的離焦量S1和S2 ； 步驟5 :根據(jù)郎奇光柵(6)的離焦量S1和CXD探測(cè)器(7)與郎奇光柵(6)的距離h即可計(jì)算CXD探測(cè)器的離焦位置z
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的微透鏡定焦檢測(cè)方法，其特征在于步驟4中的離焦量S1和S2具體計(jì)算方法如下根據(jù)物理光學(xué)理論
3.一種基于光柵剪切干涉檢測(cè)系統(tǒng)的微透鏡陣列定焦檢測(cè)方法，其特征在于微透鏡陣列各個(gè)子單元相當(dāng)于一個(gè)小孔徑的微透鏡，該方法通過(guò)以下步驟完成微透鏡陣列各個(gè)子單元的定焦測(cè)量 步驟Al :根據(jù)權(quán)利要求I的步驟I到步驟5完成微透鏡陣列第一個(gè)子單元的定焦檢測(cè)，以該子單元作為基準(zhǔn)，將郎奇光柵(6)移動(dòng)到微透鏡陣列該被測(cè)子單元焦后，使其離焦量為S，用CCD探測(cè)器測(cè)量相應(yīng)的干涉條紋周期Ps ； 步驟A2 :移動(dòng)小孔擋板(4)將微透鏡陣列其余各個(gè)子單元依次移動(dòng)進(jìn)入檢測(cè)光路系統(tǒng)，用CCD探測(cè)器(7)分別記錄相應(yīng)的干涉條紋周期Pi ； 步驟A3 :根據(jù)微透鏡陣列各個(gè)子單元的條紋周期變化，可計(jì)算出相應(yīng)子單元的離焦變化量Δ Si
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于光柵剪切干涉檢測(cè)系統(tǒng)的微透鏡定焦檢測(cè)方法，屬于光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，該方法利用郎奇光柵的0級(jí)和1級(jí)衍射光干涉產(chǎn)生的條紋完成對(duì)微透鏡的定焦測(cè)量平行光經(jīng)過(guò)郎奇光柵時(shí)，由于光柵的衍射效應(yīng)產(chǎn)生0級(jí)和1級(jí)衍射光斑；根據(jù)衍射光波前相位變化，當(dāng)光柵位于微透鏡焦面上時(shí)，光斑重疊區(qū)域沒(méi)有干涉條紋；當(dāng)光柵位于離焦位置時(shí)，光斑重疊區(qū)域?qū)⒂捎谖幌嗖町惍a(chǎn)生干涉條紋；通過(guò)不同離焦位置的條紋周期變化，即可計(jì)算光柵的離焦量從而完成微透鏡的定焦測(cè)量。本發(fā)明根據(jù)物理光學(xué)理論，定量分析光柵離焦量與條紋周期的關(guān)系，通過(guò)光柵在焦前和焦后兩次離焦時(shí)條紋周期的不同，計(jì)算兩次離焦量，從而完成微透鏡及其陣列元件的定焦。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102889980SQ20121039036
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者朱咸昌, 伍凡, 曹學(xué)東, 吳時(shí)彬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所