波前量测系统技术方案

一种波前量测系统，包含发光元件、拍摄单元及处理单元。所述发光元件产生用于通过待测光学元件的光束。所述拍摄单元用于拍摄所述光束通过所述待测光学元件及阵列透镜所产生的多个强度不均匀的光线。所述处理单元控制所述发光元件及所述拍摄单元，以调整出多个相关于曝光量的拍摄条件。对于每一个拍摄条件，所述处理单元控制所述拍摄单元拍摄所述光线，以产生多张分别包括多个光点的图像，每一个光点对应包含所述光点所包括的多个像素坐标及其对应的像素值的光点信息，所述处理单元根据所述图像的至少二者的光点信息产生相关于所述光点的波前信息，以达到减少所述量测系统的成本及减少光学元件质量对波前量测造成的误差的功效。

【技术实现步骤摘要】
波前量测系统
本专利技术涉及一种量测系统，特别是涉及一种波前量测系统。
技术介绍
在高斯光学(Gaussianoptics)系统中均假设光学元件是完美、没有像差存在的，在物空间(objectspace)下的点光源以球面波(sphericalwaves)传递经过光学元件后，在像空间(imagespace)下球面波收敛成一图像点，但是实际上，入射波前经光学元件后到达后出瞳(exitpupil)的球面波前和理想波前存在着光程差(opticalpathdifference,OPD)，造成收敛波前(convergentwavefront)无法完美汇聚成一点导致其图像点模糊带有像差，而造成光程差的成因例如有:制造时的误差造成镜片形状的变形、镜片前后两面光学镜面的对位误差、材料不均匀度、光学元件的尺寸大小、组装元件对位误差。因此，在光学元件的制造过程中，必须用光学量测仪器如干涉仪或者波前检测器来检验及验证光学元件的光学特性。参阅图1，如美国专利US6130419A所揭示，为了量测光学元件的波前像差(wavefrontaberration)，现有的哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前误差(wavefronterror)测量法，是由一量测系统1来实施，该量测系统1包含一光源产生器11、一像差消除校正器(nullcorrector)12、一待测光学元件13、一光准直器(collimator)14、一微型透镜阵列(microlensarrays)15、一图像传感器(ImageSensor)16，及一处理单元17。该图像传感器16包括感光耦合元件(Charge-coupledDevice,CCD)(图未示)，及互补式金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor,CMOS)(图未示)，该微型透镜阵列15包括多个透镜151。该光源产生器11产生一光束均匀正向入射该像差消除校正器12，产生一校正波前，该校正波前经过该待测光学元件13波前收敛进入该光准直器14，再经该光准直器14准直平行入射该微型透镜阵列15，且由该图像传感器16感测经过该光准直器14准直后的平行光线，在该光束的范围内以产生包含多个光点的图像，该微型透镜阵列15的每一透镜151聚焦一个光点，而所述光点的强度即为其所对应的透镜151的位置的光束波前强度，最后由该处理单元17由光点强度与光点坐标计算所述光点的质心位置，并由每一质心位置精确推得每一光点的位移变化，再由每一光点的位移变化取得该光束在对应的透镜151的位置上的波前斜率或者光线前进方向，以在重建波前后获得相关于该待测光学元件13的波前相位，因此，借由侦测该光束范围内的所述光点的强度与位移量可以获得包括所述光点对应的透镜151的位置上的波前斜率、波前相位与波前强度的波前信息。在量测不同的待测光学元件的波前像差时，该像差消除校正器12及该光准直器14须配合不同的待测光学元件进行客制化设计与精密制造，该光束在通过该像差消除校正器12时，产生一个正负相反的光学像差来抵消因为通过待测光学元件时所产生的光学像差。在该消除校正器12抵销该待测光学元件13的光学像差后，光学球差变少，因此该光束的分布在通过该光准直器14变得均匀，并在到达该微型透镜阵列15前，其波前的强度剖面为一个均匀的强度剖面图(如图2)，因此在通过该量测系统1的该微型透镜阵列15后，该图像传感器16所感测到的光点强度分布情况是均匀的(如图3)。然而，制作该像差消除校正器12或该光准直器14需要额外的硬件成本，而制作与后续的调整对位该像差消除校正器12或该光准直器14使得时间成本上升，且光线经过该像差消除校正器12或者该光准直器14后同样也会因为可能的镜片制造误差或者镜片的对位误差进而产生通过两者的波前偏差，进而影响该图像传感器16所获得的感测信息的精准度，因此如果能够同时移除像差消除校正器12与该光准直器14，对于量测的时间、预算与可以大幅减少同时量测的不确定性可大幅降低。但是当通过的波前为汇聚或发散的高度非球面波前，且在无使用该像差消除校正器12的情况下，将使得该待测光学元件13的像差无法被校正，因此，该光束通过该待测光学元件13后将产生相当大的光学像差，此像差大幅偏折了光线的前进方向，也造成了光束边缘和光束中间的光线行进方向差异变大，进而造成通过波前在到达该微型透镜阵列15前其光束范围内的波前光点强度不均匀的现象。参阅图4，例如，当该光束通过该待测光学元件13的波前像差为球面像差时，并该通过波前前进了一段距离后，该微型透镜阵列15上的波前强度的剖面类似于高斯函数的分布(如图5)，因此在此不均匀强度的波前通过了该微型透镜阵列15后汇聚到该图像传感器16上，该图像传感器16所量测到的所述光点将是不均匀的分布情况，如图6所示，此例的中心部分光强度明显比光束边缘的光强度来的大。所述光点中心部分的部分光波聚焦点过于饱和，然在光束边缘部分的光点的强度又过低时，光点强度过饱和与过低均不利于光点位置的质心计算，因此，在高度的光学像差情况下将无法获得所有波前范围内的光点对应的精确波前斜率，导致波前量测的精确度降低，又如光束边缘的光点无法正确撷取并计算质心时，将不利于如镜片因为镜面偏心等产生的不对称波前的量测与计算，往往导致量测失败。因此，如何减少该量测系统的成本，且提高该量测系统所获得的感测信息的精准度，遂成为亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有较低成本且较高精准度的波前量测系统。本专利技术的波前量测系统，适用于量测待测光学元件或光学系统,包含发光元件、拍摄单元、及处理单元。所述发光元件产生均匀光束，所述均匀光束用于通过或反射所述待测光学元件或所述光学系统，所述均匀光束通过或反射所述待测光学元件或所述光学系统后产生不均匀光束。所述拍摄单元包括阵列透镜及拍摄模块，所述拍摄模块用于拍摄所述不均匀光束通过所述阵列透镜所产生的多个强度不均匀的光线，此分布不均匀的光线使得所述待测光学元件或所述光学系统的入瞳边缘的波前采样密度较入瞳中心部分为高。所述处理单元电连接所述发光元件及所述拍摄单元，所述处理单元控制所述发光元件及所述拍摄单元，以调整出多个相关于曝光量的拍摄条件。其中，对于所述拍摄条件的每一者，所述处理单元控制所述拍摄单元的所述拍摄模块拍摄所述光线，以产生多个分别包括多个光点的图像，每一个光点对应包含所述光点所包括的多个像素坐标及其对应的像素值的光点信息，所述处理单元根据所述图像的至少二者的光点信息产生相关于所述光点的波前信息。较佳地，本专利技术的波前量测系统，所述发光元件与所述待测光学元件或所述光学系统间存在预设的光学共轭距离，以使所述阵列透镜的光点采样密度在所述待测光学元件或所述光学系统的入瞳边缘部分较入瞳中心部位高。较佳地，本专利技术的波前量测系统，所述波前信息包含波前斜率、波前相位或波前强度。较佳地，本专利技术的波前量测系统，对于所述拍摄条件的每一者，所述处理单元控制所述拍摄单元的所述拍摄模块拍摄所述光线的所欲拍摄范围，所述拍摄条件的曝光量的最大值及最小值的比值相关于预定值，所述预定值相关于所述所欲拍摄范围内的光线强度最大值及最小值的比值。较佳地，本专利技术的波前量测系统，每一张图像各自所包含的所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波前量测系统，适用于量测待测光学元件或光学系统，其特征在于：包含发光元件，产生均匀光束，所述均匀光束用于通过或反射所述待测光学元件或所述光学系统，所述均匀光束通过或反射所述待测光学元件或所述光学系统后产生不均匀光束；拍摄单元，包括阵列透镜及拍摄模块，所述拍摄模块用于拍摄所述不均匀光束通过所述阵列透镜所产生的多个强度不均匀的光线；及处理单元，电连接所述发光元件及所述拍摄单元，所述处理单元控制所述发光元件及所述拍摄单元，以调整出多个相关于曝光量的拍摄条件；其中，对于所述拍摄条件的每一者，所述处理单元控制所述拍摄单元的所述拍摄模块拍摄所述光线，以产生多张分别包括多个光点的图像，每一个光点对应包含所述光点所包括的多个像素坐标及其对应的像素值的光点信息，所述处理单元根据所述图像的至少二者的光点信息产生相关于所述光点的波前信息。

【技术特征摘要】
2017.09.15 TW 1061317751.一种波前量测系统，适用于量测待测光学元件或光学系统，其特征在于：包含发光元件，产生均匀光束，所述均匀光束用于通过或反射所述待测光学元件或所述光学系统，所述均匀光束通过或反射所述待测光学元件或所述光学系统后产生不均匀光束；拍摄单元，包括阵列透镜及拍摄模块，所述拍摄模块用于拍摄所述不均匀光束通过所述阵列透镜所产生的多个强度不均匀的光线；及处理单元，电连接所述发光元件及所述拍摄单元，所述处理单元控制所述发光元件及所述拍摄单元，以调整出多个相关于曝光量的拍摄条件；其中，对于所述拍摄条件的每一者，所述处理单元控制所述拍摄单元的所述拍摄模块拍摄所述光线，以产生多张分别包括多个光点的图像，每一个光点对应包含所述光点所包括的多个像素坐标及其对应的像素值的光点信息，所述处理单元根据所述图像的至少二者的光点信息产生相关于所述光点的波前信息。2.根据权利要求1所述的波前量测系统，其特征在于：所述发光元件与所述待测光学元件或所述光学系统间存在预设的光学共轭距离，以使所述阵列透镜的光点采样密度在所述待测光学元件或所述光学系统的入瞳边缘部分较入瞳中心部位高。3.根据权利要求1所述的波前量测系统，其特征在于：所述波前信息包含波前斜率、波前相位或波前强度。4.根据权利要求1所述的波前量测系统，其特征在于：对于所述拍摄条件的每一者，所述处理单元控制所述拍摄单元的所述拍摄模块拍摄所述光线的所欲拍摄范围，所述拍摄条件的曝光量的最大值及最小值的比值相关于预定值，所述预定值相关于所述所欲拍摄范围内的光线强度最大值及最小值的比值。5.根据权利要求1所述的波前量测系统，其特征在于：每一张图像各自所包含的所述光点包括对应第一光点信息的第一光点及对应第二光点信息的第二光点，所述第一光点信息包括所述第一光点所包括的多个第一像素坐标及其对应的第一像素值，所述第二光点信息包括所述第二光点所包括的多个第二像素坐标及其对应的第二像素值，对于每一张图像，所述处理单元至少根据判定条件，获得至少一个第一候选光点信息及至少一个第二候选光点信息，所述处理单元并至少根据该至少一个第一候选光点信息及该至少一个第二候选光点信息，以产生合成图像。6.根据权利要求1所述的波前量测系统，其特征在于：所述拍摄单元还包括快门，所述处理单元借由产生相关于所述快门的快门控制信号以调整所述拍摄单元的快门的快门速度，及借由产生相关于所述发光元件的发光控制信号以调整所述发光元件产生的所述均匀光束的强度的其中至少一者，以调整出不同的所述拍摄条件。7.根据权利要求6所述的波前量测系统，其特征在于：在所述快门速度固定下，所述均匀光束的强度为周期性的增减。8.根据权利要求6所述的波前量测系统，其特征在于：所述处理单元借由非线性的方式增减所述拍摄单元的快门的快门速度及所述发光元件产生的均匀光束的强度的其中至少一者，以非线性增减曝光量来调整出不同的所述拍摄条件。9.根据权利要求8所述的波前量测系统，其特征在于：有M个分别对应多个曝光量的拍摄条件，其中第j个拍摄条件的曝光量为K的j次方，其中K为大于1小于3的常数，1≤j≤M。10.根据权利要求1所述的波前量测系统，其特征在于：每一张图像各自所包含的所述光点包括对应第一光点信息的第一光点及对应第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁肇文，梁金章，
申请(专利权)人：东大光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71