专利名称：一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法
技术领域：
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，可用于微透镜及其阵列元件的精密定焦测量。
背景技术：
微透镜由于其自身的衍射效率高、工作波段宽、集成化和微型化程度高等优点，广泛应用于光准直、光信息处理、光计算和光互连等领域。随着微光学技术的提高和微细加工工艺的提高，微透镜向着微型化和阵列化的方向发展，其重要标志是微透镜阵列元件的出现。微透镜阵列是作为自适应光学系统中哈特曼-沙克波前传感器的核心部件，其定焦检测精度影响自适应光学系统的装配和波前检测精度。
由于微透镜及其阵列元件的应用广泛，其定焦检测方法也越来越多。传统的检测方法包括光强计检测法、图像清晰度函数定焦方法、彩色CCD摄像法、光纤探针扫描法和干涉仪定焦法等。光强计检测法是利用光强计在微透镜焦面附近移动，当光强计显示的光强值为极大值时即可认为该位置为微透镜的焦面位置。该方法进行微透镜定焦测量时操作简便易行，但受检测环境影响较大，精度不高。同时，对微透镜阵列元件进行定焦时，该方法只能确定微透镜阵列的平均焦距，不能满足微透镜阵列的定焦要求。图像清晰度评价函数定焦方法是基于数字图像处理分析原理的一种定焦方法。根据清晰度评价函数的不同，主要分为图像梯度能量函数、图像拉普拉斯能量函数、灰度平均值函数和灰度方差函数等几类。灰度方差函数由于计算简便，应用较多常用于微透镜及其阵列元件的定焦测量β ΣΣ[4·γ，·>,)-W=式中，g(x, y)为CXD探测器采集的数字图像各点处的灰度值，μ为数字图像灰度值的平均值，Μ，N为数字图像的行数和列数。从上式可知，采集的数字图像越清晰(图像锐度越大)，相邻像素间的灰度差值越大，其灰度方差函数也越大。当CCD探测器沿光轴移动时，在微透镜焦面上，其图像最清晰，灰度方差函数取极大值。根据图像灰度方差函数的变化趋势即可完成微透镜及其阵列元件的定焦。该方法检测精度较高，一次采集图像可完成微透镜多个阵列的定焦测量；但在微透镜焦面附近采集图像数较多，数据计算量较大从而限制其检测效率且受CCD探测器暗电流等噪声影响，对大F数的微透镜及其阵列元件的检测精度焦低，不适于大F数的微透镜定焦测量。彩色CCD摄像法是利用CCD光谱响应宽、稳定性好合操作简便的优点，利用CCD探测器直接检测微透镜成像光斑从而完成微透镜定焦测量。该方法不仅可以测量单色光的光斑，还可以测量复合光的光斑；但测量过程中，CCD探测器的各项性能指标对测量精度影响较大，CCD探测器的光电响应不均匀性和非线性将导致测量结果出现较大的偏差。光纤探针扫描法是将探针移动到光斑附近进行横向二维扫描，所得光学信号经光学探针收集后经单模光纤传输到光电倍增管进行光电转换，经放大转换成数字信号后输入计算机重构称为光斑能量分布图。该方法可以对微透镜进行定焦测量；但该方法测量精度受探针制作工艺、扫描器的性能和步进电机步精度影响，同时利用探针二维扫描操作较复杂且对微透镜像差影响的抗干扰能力较差。干涉仪定焦法是利用干涉仪条纹变化完成对微透镜及其阵列元件的定焦测量。在微透镜后方放置一个平面镜，当调节干涉仪出射光与被测微透镜共焦时，干涉仪的出射光线沿原路返回。根据费马原理，返回光线光程差一致，干涉仪中不出现干涉条纹。该方法通过条纹变化即可完成微透镜及其阵列元件的定焦检测；但该方法操作较复杂，测量效率偏低且测量成本较高。同时，由于微透镜及其阵列元件像差的影响，该方法测量精度不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有定焦技术在微透镜及其阵列元件精密定焦测量上不足，提供一种新的检测方法，用于微透镜及其阵列元件的精确定焦测量。同时根据·微透镜阵列元件阵列数较多的现状，兼顾定焦测量的效率和精度，使该方法可用于阵列数较多的微透镜阵列元件的定焦检测。本发明解决上述技术问题，采取的技术方案是一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，该检测系统由He-Ne激光器、聚光镜、平行光管、小孔挡板、被测微透镜、郎奇光栅和CXD探测器组成，通过郎奇光栅的O级和I级衍射光干涉产生的条纹变化状况，完成被测微透镜的定焦检测，该方法通过以下步骤完成对被测微透镜的定焦测量步骤I :将郎奇光栅置于被测微透镜的焦前，利用微移平台移动CCD探测，使郎奇光栅在CXD探测器上清晰成像即CXD探测器的像面与郎奇光栅的刻画表面重合；步骤2 :移动CXD探测器，使其成像焦面与郎奇光栅的轴向距离为h并用CXD探测器测量干涉条纹的周期P1;步骤3 :移动郎奇光栅，使其位于被测微透镜的焦后，利用CCD探测器测量干涉条纹的周期P2 ;步骤4 :根据两次测量时条纹周期的变化，结合郎奇光栅移动的距离1，即可分别计算郎奇光栅两次测量时的离焦量S1和S2 ；步骤5 :根据郎奇光栅的离焦量S1和CCD探测器与郎奇光栅的距离h即可计算CCD探测器的离焦位置z z = ii - s' = h--—~I
P1+P2将CXD探测器向被测微透镜移动z即可完成对被测微透镜的定焦测量。进一步的，步骤4中的离焦量S1和S2具体计算方法如下根据物理光学理论Pi =; PPi = — P式中P为CCD探测器(7)测量的郎奇光栅(6)的周期，根据两次测量干涉条纹周期的变化关系P1S1 = P2S2结合光栅移动距离I = Sl+S2，分别计算两次测量时光栅离焦量
权利要求
1.一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，该检测系统由He-Ne激光器(I)、聚光镜(2)、平行光管(3)、小孔挡板(4)、被测微透镜(5)、郎奇光栅(6)和CXD探测器(7)组成，通过郎奇光栅(6)的O级和I级衍射光干涉产生的条纹变化状况，完成被测微透镜(5)的定焦检测，其特征是该方法可通过以下步骤完成对被测微透镜(5)的定焦测量 步骤I :将郎奇光栅(6)置于被测微透镜(5)的焦前，利用微移平台移动C⑶探测(7)，使郎奇光栅(6)在CXD探测器(7)上清晰成像即CXD探测器(7)的像面与郎奇光栅(6)的刻画表面重合； 步骤2:移动CXD探测器(7)，使其成像焦面与郎奇光栅(6)的轴向距离为h并用C⑶探测器(7)测量干涉条纹的周期P1 ； 步骤3 :移动郎奇光栅(6)，使其位于被测微透镜(5)的焦后，利用CXD探测器(7)测量干涉条纹的周期P2; 步骤4 :根据两次测量时条纹周期的变化，结合郎奇光栅(6)移动的距离1，即可分别计算郎奇光栅(6)两次测量时的离焦量S1和S2 ； 步骤5 :根据郎奇光栅(6)的离焦量S1和CXD探测器(7)与郎奇光栅(6)的距离h即可计算CXD探测器的离焦位置z
2.根据权利要求I所述的微透镜定焦检测方法，其特征在于步骤4中的离焦量S1和S2具体计算方法如下根据物理光学理论
3.一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜阵列定焦检测方法，其特征在于微透镜阵列各个子单元相当于一个小孔径的微透镜，该方法通过以下步骤完成微透镜阵列各个子单元的定焦测量 步骤Al :根据权利要求I的步骤I到步骤5完成微透镜阵列第一个子单元的定焦检测，以该子单元作为基准，将郎奇光栅(6)移动到微透镜阵列该被测子单元焦后，使其离焦量为S，用CCD探测器测量相应的干涉条纹周期Ps ； 步骤A2 :移动小孔挡板(4)将微透镜阵列其余各个子单元依次移动进入检测光路系统，用CCD探测器(7)分别记录相应的干涉条纹周期Pi ； 步骤A3 :根据微透镜阵列各个子单元的条纹周期变化，可计算出相应子单元的离焦变化量Δ Si
全文摘要
本发明涉及一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，属于光学检测技术领域，该方法利用郎奇光栅的0级和1级衍射光干涉产生的条纹完成对微透镜的定焦测量平行光经过郎奇光栅时，由于光栅的衍射效应产生0级和1级衍射光斑；根据衍射光波前相位变化，当光栅位于微透镜焦面上时，光斑重叠区域没有干涉条纹；当光栅位于离焦位置时，光斑重叠区域将由于位相差异产生干涉条纹；通过不同离焦位置的条纹周期变化，即可计算光栅的离焦量从而完成微透镜的定焦测量。本发明根据物理光学理论，定量分析光栅离焦量与条纹周期的关系，通过光栅在焦前和焦后两次离焦时条纹周期的不同，计算两次离焦量，从而完成微透镜及其阵列元件的定焦。
文档编号G01M11/02GK102889980SQ20121039036
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月15日 优先权日2012年10月15日
发明者朱咸昌, 伍凡, 曹学东, 吴时彬 申请人:中国科学院光电技术研究所