[发明专利]差动共焦系统球差测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于光学镜组及透镜球差的高精度检测。 

技术背景

对于成像系统来说，像差是影响其成像质量的一个重要指标。如果成像系统是理想的光学系统，则同一物点发出的光经过光学系统后聚焦为同一理想像点。但由于像差的存在，同一物点的光经过实际的光学系统后会在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束，会严重影响成像光学系统的成像质量。而轴上球差是众多像差中的一种重要形式，其大小将严重影响诸如准直透镜、扩束镜等光学系统的性能，因而如何更高精度地检测光学系统的球差成了光学测量领域的一个难题。 

传统的光学系统轴向球差测量通常是采用星点像法或刀口阴影法，其测量结果很大程度上都与操作人员的主观因素有关，而且这两种测量方法都只能给出定性或近似定量的测量结果，精度极低。 

哈特曼像差测量方法的出现为光学系统球差的定量测量提供了一条可行途径。在哈特曼像差测量过程中，被测系统的几何像差可以通过直接观察光束传输的路径解算得到。发表在《APPLIED OPTICS》中的《Measurement of spherical aberrations using a solid-state image sensor》一文提到，将固体图像传感技术与哈特曼像差测量方法结合，可实现光学系统球差的在线测量，并将球差测量精度提高到5-10um。发表在《强激光与粒子束》中的《扫描型哈特曼检测装置研究》一文表明，中国科学院上海精密科学研究所已于2005年研制成功一种可用于球差测量的扫描型哈特曼检测新装置，该装置实测的球差值与理论球差值最大偏差为14.6％。但是受系统成像清晰度及固体图像传感器信噪比所限，哈特曼像差测量方法的精度很难有进一步的提高。 

此外，学者们还提出了利用其他原理测量光学系统球差的方法，如发表在《光学学报》中的《二次光栅在波前测量中的应用》一文提到，利用特殊设计的一种二次光栅，可用于激光光束波前的测量，进而实现系统球差的测量；再如发表在《应用光学》中的《轴向球差自动测量系统》介绍了一种利用CCD细分刀口阴影图的方法测量系统球差，该论文采用CCD将刀口阴影图细分后经图像去噪、锐化处理，实现阴影图中亮暗环分界位置的定位，步进电机配合精密 螺杆在计算机控制下可对刀口的位置进行精密控制，进而实现了对系统球差的测量，但是受亮暗环分界位置识别精度所限，该方法的测量精度很难提高。 

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术迅速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度。由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，所以该方法的灵敏度高于垂轴方向的评价方法，并且该方法采用光强作为数据信息，相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力。例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗扰动能力。 

本发明人在差动共焦显微成像技术的启发下，率先提出将差动共焦测量技术应用于元件参数测量领域，利用差动共焦技术的高轴向分辨率提高元件参数的检测精度，现已申请多项国家发明专利，例如专利“差动共焦曲率半径测量方法与装置”(专利号：200910082249.0)，专利“基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置”(专利号：201010105743.7)，专利“差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置”(专利号：201010000553.9)等。 

本发明是基于差动共焦技术的系统像差参数测量方法。由于差动共焦技术具有超分辨轴向定焦能力，且不易受环境干扰，所以将该技术用于系统球差的检测，相比于以往测量方法具有测量精度高、抗干扰能力强及智能化程度高等诸多优点。 

发明内容

为了提高光学镜组及透镜球差的测量精度，本发明提出一种差动共焦系统球差测量方法。该差动共焦系统球差测量方法的核心思想是，将环形光瞳滤波技术和差动共焦定焦技术融合，测得当不同通光高度的环形光束通过被测系统后，其聚焦焦点移动的距离，进而得到被测系统的球差。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

本发明的一种差动共焦系统球差测量方法，包括以下步骤： 

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜、环形光瞳和被测系统后照射在平面反射镜上，由平面反射镜的表面反射，反射回来的光经被测系统、环形光瞳和准直透镜后由分光镜反射进入差动共焦测量系统；