一种基于光学偏折的显微大动态范围微透镜测量方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于测量技术领域，具体涉及一种显微大动态范围微透镜测量方法。背景技术：2.随着光学设计和微纳制造业的飞速发展，元器件不断朝着小型化发展，自由曲面光学元件、微小透镜等在现代超精密制造、航天航空、人工智能和医疗器械等各个领域得到了越来越广泛的应用。复杂微小透镜面形的测量已成为超精密加工精度实现的主要限制因素，是制约微小透镜高精度制造和大范围应用的关键瓶颈，同时，对于微小透镜的测量精度、速度、动态范围的要求也不断提高，因此对测量工具和测量方法提出了更高的要求。3.传统的接触式探针轮廓仪测量透射元件表面轮廓具有较高的测量精度，但是，需要逐点扫描，这些方法非常耗时且效率低下，易受到外界干扰的限制，并且针对微小透镜夹持困难，很难实现前后表面轮廓同步测量。此外，它们容易受到环境干扰且易损害测试元件表面。目前主流的高精度面形测量技术为光学干涉测量，这类方法的测量精度高，空间分辨率高，并且测量速度快，但是干涉测量存在测量动态范围小和测量口径限制的问题，极大限制了其在大动态范围和微小透镜测量中的应用。中国专利申请公布号(cn110793465a)，名称为“一种微透射元件多面形大动态范围同步测量方法”的发明专利，其特征在于采用投影屏、分光棱镜、待测微透射元件、标准平面镜、显微物镜、成像透镜、ccd探测器和计算机建立基于显微相位偏折法的逆哈特曼光学检测系统，由于分光棱镜的设计，光线从投影屏出发经过分光棱镜反射后，透过待测微透射元件，经标准平面镜反射后返回再次透过待测微透射元件和分光棱镜才依次进入显微物镜、成像透镜被ccd探测器接收，光路极长，光强不足很有可能无法实现被ccd探测器接收；而且，编码条纹待测微透射元件所成的像到待测微透射元件之间的距离较大，使系统显微成像部分存在景深不足的缺点；此外，其分光棱镜的尺寸会限制ccd探测器的有效接收范围，分光棱镜还会引入不可消除的系统误差，无法实现精确的显微测量。技术实现要素：4.为了解决上述问题，本发明的目的在于实现对大动态范围微透镜的高精度测量。5.基于上述目的，本发明提出一种显微大动态范围微透镜测量装置，该装置包括高亮投影屏、显微物镜、成像透镜、ccd探测器和处理器，以所述高亮投影屏、显微物镜、成像透镜和ccd探测器构建同轴光学系统，对该基于光学偏折的显微大动态范围微透镜测量装置的结构位置参数进行标定，选定测量中心光轴，根据构建理想光学显微偏折模型，其中，所述处理器连接所述高亮投影屏和所述ccd探测器，所述处理器产生一正弦条纹光信号经所述高亮投影屏投射至大动态范围微透镜，经所述大动态范围微透镜透射后至所述显微物镜形成一汇聚光束，该汇聚光束经过所述成像透镜，在所述ccd探测器中呈现一变形条纹光信号，所述处理器对所述变形条纹光信号进行计算分析，获取所述大动态范围微透镜的实际波前信息，根据所述波前进行分析，迭代优化算法，逐步优化，计算得到该测试元件的前后表面面形信息。6.其中，所述大动态范围微透镜的机械中心轴与所述显微物镜的中心光轴为同轴。7.作为优选，所述高亮投影屏置于所述待测大动态范围微透镜下方，所述显微物镜、成像透镜和ccd探测器依次置于所述待测大动态范围微透镜上方。8.作为优选，所述显微表面测量装置还包括夹持基座，尺寸较小，夹持基座最大可夹持微透镜直径在3mm左右，所述基座用于放置所述待测大动态范围微透镜，使所述待测大动态范围微透镜可以相对于所述显微物镜上下移动或相对于所述中心光轴旋转。9.作为优选，所述待测大动态范围微透镜置于所述显微物镜的焦平面上。10.作为优选，所述待测大动态范围微透镜置于所述显微物镜的工作距离位置内，且光束刚好可以覆盖微透镜全口径。11.作为优选，所述待测大动态范围微透镜放置位置的机械中心轴与所述显微物镜、高亮投影屏的中心光轴一致。12.作为优选，所述显微物镜和所述成像透镜组成的光学系统的景深大于所述测试元件到投影屏的距离，以获取清晰的所述变形条纹光信号。13.作为优选，所述投影屏的亮度不小于2000cd/m2。14.基于上述目的，本发明还提出一种如上所述的显微大动态范围微透镜测量方法，包括步骤如下：15.s1、对该基于光学偏折的显微大动态范围微透镜测量装置的结构位置参数进行标定，选定测量中心光轴，根据构建理想光学显微偏折模型，将待测大动态范围微透镜(2)构建为理想面型，获取在所述待测大动态范围微透镜(2)上的理想光斑分布；16.s2、计算采集到的所述变形条纹光信号的相位分布，获取高亮投影屏(1)相应发光像素坐标；17.s3、根据所述相位分布和实际像素坐标，获取所述待测大动态范围微透镜(2)的实际光斑分布；18.s4、将所述实际光斑分布与所述理想光斑分布比较，得到微透镜(2)的实际波前信息δwsurf＝wsurf+wsystem(g)＝f(esurf)+wsystem(g)，其中wsurf是多表面轮廓esurf综合成波前的结果，此处用esurf的隐函数表示，wsystem(g)为系统几何参数引起的波前误差；19.s5、所述波前信息δwsurf，通过最小化目标函数，可以得到一个最优的系统几何参数其中，ρj是对应优化的权重，cept,j和是用于拟合测量的波前像差正交多项式的系数；20.s6、所述多表面轮廓esurf，对于对应于相应系统误差的多个(n)波前，可以迭代重构出前后表面实际面形其中δwsurf,n是第n个波前信息，wsystem,n(g*)是第n个波前信息的最优化系统几何参数，在优化求解过程中，将前后表面实际面形轮廓设为变量，目标函数为其中j项正交多项式{zj}用于波前和表面面形描述，和为第n次测量的波前和理想波前相应系数；21.s7、s6所述对应于相应系统误差的多个(n)波前，所述待测大动态范围微透镜(2)应沿光轴方向旋转测量n次得到。22.s8、所述多表面轮廓esurf(ωept,{1.2})，经过迭代优化计算后，得到所述待测大动态范围微透镜(2)的实际前后表面面形轮廓。23.作为优选，所述步骤s1中的测量中心光轴为所述投影屏出发到所述测试元件的测量光线；24.在所述理想光学偏折模型中，将所述ccd探测器的小孔作为点光源，将所述待测大动态范围微透镜(2)厚度中心平面位置设为理想面，并计算出综合的理想波前。25.作为优选所述步骤s3还包括获取实际光斑坐标值和理想光斑坐标值，根据所述实际光斑坐标值和所述理想光斑坐标值得到所述待测大动态范围微透镜(2)的实际波前信息；根据所述波前进行分析，迭代优化算法，逐步优化，计算得到该测试元件的前后表面面形信息。26.与现有技术相比，本发明的益处有：27.改善了光学结构，取消分光棱镜的设置，极大减少光路距离，避免分光棱镜引入的不可消除的系统误差；将传统显微反射测量改为透射光路，扩展了应用场景，从单一的反射表面测量扩展到透镜的前后表面检测；选定合适的成像镜头与显微物镜匹配，使得组合的光学系统在复杂曲面轮廓测量中有足够的景深，使ccd探测器能够获取大动态范围微透镜的高清信息，同时获取大动态范围微透镜透射所成的条纹高清信息，在不提高成本的情况下有效提高了测量精度；采用高亮度的投影屏，因为被测大动态范围微透镜尺寸较小，本身通过的光线能量就较少，依靠高亮度投影屏，可以增加ccd探测器收集的光能，极大地提高了信噪比；通过测量得到的波前信息，迭代优化算法，逐步优化，可以实现同步重构出前后表面面形信息，可实现高精度、前后表面同步的显微面形测量。附图说明28.图1为本发明的显微微透镜测量方法的一种实施例示意图；29.图2为本发明的流程图；30.图3为ccd探测器接收的x、y方向条纹信号示意图；31.图4为本发明的显微微透镜测量方法的一种实施例测量结果图；32.其中，1：高亮投影屏，2：待测大动态范围微透镜，3：显微物镜，4：成像透镜，5：ccd探测器和处理器。具体实施方式33.以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。34.本发明提出一种显微大动态范围微透镜测量装置，如图1所示，该装置包括高亮投影屏、显微物镜、成像透镜、ccd探测器和处理器，以所述高亮投影屏、显微物镜、成像透镜和ccd探测器构建同轴光学系统，对该基于光学偏折的显微大动态范围微透镜测量装置的结构位置参数进行标定，选定测量中心光轴，根据构建理想光学显微偏折模型，其中，所述处理器连接所述高亮投影屏和所述ccd探测器，所述处理器产生一正弦条纹光信号经所述高亮投影屏投射至大动态范围微透镜，经所述大动态范围微透镜透射后至所述显微物镜形成一汇聚光束，该汇聚光束经过所述成像透镜，在所述ccd探测器中呈现一变形条纹光信号，所述处理器对所述变形条纹光信号进行计算分析，获取所述大动态范围微透镜的实际波前信息；根据所述波前进行分析，迭代优化算法，逐步优化，计算得到该测试元件的前后表面面形信息。35.其中，所述大动态范围微透镜的机械中心轴与所述高亮投影屏的中心光轴为同轴。36.在本发明的一些实施例中，高亮投影屏1放置于被测大动态范围微透镜2的下方，显微物镜3、成像透镜4、ccd探测器5依次放置在被测大动态范围微透镜2的上方，ccd探测器5、成像透镜4、显微物镜3的光轴与放置测试元件2的机械中心轴保持同轴。通过调整夹持基座可以使被测大动态范围微透镜2相对的上下移动或绕中心光轴旋转，实现微调，保证被测大动态范围微透镜2中心位置位于显微物镜3的焦平面上，将被测大动态范围微透镜2的机械中心轴与所述投影屏的中心光轴放置一致，再对高亮投影屏1相对上下移动使得被测大动态范围微透镜2反射高亮投影屏1出射的光能被ccd探测器5摄取得到清晰完整的像，并且使得待测大动态范围微透镜2置于所述显微物镜3的工作距离位置内，且光束刚好可以覆盖微透镜全口径，最后对整个装置保持位置固定；37.基于上述基于光学偏折的显微大动态范围微透镜测量装置，本发明提出一种测量方法，其步骤如下：38.s1、对该基于光学偏折的显微大动态范围微透镜测量装置的结构位置参数进行标定，选定测量中心光轴，根据构建理想光学显微偏折模型，将待测大动态范围微透镜(2)构建为理想面型，获取在所述待测大动态范围微透镜(2)上的理想光斑分布；39.s2、计算采集到的所述变形条纹光信号的相位分布，获取高亮投影屏(1)相应发光像素坐标；40.s3、根据所述相位分布和实际像素坐标，获取所述待测大动态范围微透镜(2)的实际光斑分布；41.s4、将所述实际光斑分布与所述理想光斑分布比较，得到微透镜(2)的实际波前信息δwsurf＝wsurf+wsystem(g)＝f(esurf)+wsystem(g)，其中wsurf是多表面轮廓esurf综合成波前的结果，此处用esurf的隐函数表示，wsystem(g)为系统几何参数引起的波前误差；42.s5、所述波前信息δwsurf，通过最小化目标函数，可以得到一个最优的系统几何参数其中，ρj是对应优化的权重，cept,j和是用于拟合测量的波前像差正交多项式的系数。43.s6、所述多表面轮廓esurf，对于对应于相应系统误差的多个(n)波前，可以迭代重构出前后表面实际面形其中δwsurf,n是第n个波前信息，wsystem,n(g*)是第n个波前信息的最优化系统几何参数，在优化求解过程中，将前后表面实际面形轮廓设为变量，目标函数为其中j项正交多项式{zj}用于波前和表面面形描述，和为第n次测量的波前和理想波前相应系数。44.s7、s6所述对应于相应系统误差的多个(n)波前，所述待测大动态范围微透镜(2)应沿光轴方向旋转测量n次得到。45.s8、所述多表面轮廓esurf(ωept,{1.2})，经过迭代优化计算后，得到所述待测大动态范围微透镜(2)的实际前后表面面形轮廓。46.其中，所述步骤s1中的测量中心光轴为所述高亮投影屏出发到所述待测大动态范围微透镜的测量光线；在上述处理器中建立光路从ccd探测器5起依次经过成像透镜4、显微物镜3、待测大动态范围微透镜2、高亮投影屏1的理想光学显微偏折模型。47.在所述理想光学偏折模型中，将所述ccd探测器5的小孔作为点光源，以高亮投影屏1作为像面，将所述待测大动态范围微透镜2厚度中心平面位置设为理想面，并计算出综合的理想波前。48.所述步骤s3还包括获取实际光斑坐标值和理想光斑坐标值，根据所述实际光斑坐标值和所述理想光斑坐标值得到所述待测大动态范围微透镜2的实际波前信息；根据所述波前进行分析，迭代优化算法，逐步优化，计算得到该测试元件的前后表面面形信息。49.以下具体以实施例1的测量对本发明的显微大动态范围微透镜测量装置及方法进行说明：50.本实施例中投影屏1采用亮度达到2000cd/m2的显示屏，显微物镜3采用放大倍数为10×、数值孔径为0.28、入射孔径为11.2mm、工作距离为34mm的长工作距离显微物镜，ccd探测器5采用分辨率为1328(h)×1048(v)、像素尺寸为3.63μm×3.63μm的ccd探测器，整个测量装置用精度为5.0μm、分辨率为0.078μm三坐标仪对该显微大动态范围微透镜测量装置进行标定，对直径为3mm的大动态范围微透镜进行光学偏折显微微透镜面形测量。51.首先通过夹持基座使大动态范围微透镜相对上下移动或绕中心旋转，保证大动态范围微透镜2位于显微物镜3的焦平面上，并且使得待测大动态范围微透镜2置于所述显微物镜3的工作距离位置内，且光束刚好可以覆盖微透镜全口径，使得大动态范围微透镜2透射高亮投影屏1出射的光能在ccd探测器5上呈现清晰完整的像，用上述三坐标仪对整个显微大动态范围微透镜测量装置进行标定获取结构参数s＝{(xi,yi,zi)}，其中i表示元件的标号数，i＝1,2,3,4,5。(xi,yi,zi)表示标号为i的元件的三维空间位置坐标。52.根据参数s在处理器中建立理想光学偏折模型，并在模型中将大动态范围微透镜2厚度中心平面位置为理想面，根据光线追迹法可获得理想光斑坐标值；使用上述处理器通过预存程序配置参数使高亮投影屏1显示调制产生正弦条纹，该经大动态范围微透镜2透射后进入显微物镜3后变为会聚光束，再经过成像透镜4后，由ccd探测器5接收，呈现为变形条纹光信号，ccd探测器5接收到的变形条纹光信号如图2所示，根据ccd探测器5采集到的变形条纹光信号求解出对应的相位分布，再进行计算求得实际光斑坐标值。根据上述实际测量数据得出的实际光斑坐标值与理想光学偏折模型光线追迹结果的理想光斑值差异进行分析，可得出面形误差的波前斜率分布，对波前斜率积分可得到微透镜的波前信息，根据所述波前进行分析，迭代优化算法，逐步优化，计算得到该测试元件的前后表面面形信息，如图3所示，从而完成对大动态范围微透镜2前后表面的高精度测量。53.在权利要求书中，词语“包括”不排除其他单元或步骤；词语“一”或“一个”并不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中分别记载了某些特定技术特征，但这并不意味着这些特定技术特征不能被组合利用。本发明的各个方面可单独、组合或者以未在前述实施例中具体讨论的各种安排来使用，从而并不将其应用限于前文所描述或附图中所示的组件的细节和排列。例如，可使用任何方式将一个实施例中描述的多个方面与其他实施例中描述的多个方面组合。多个模块或单元中所记载的步骤、功能或特征，可以由一个模块或一个单元执行或满足。本文所公开的方法的步骤不限于以任何特定的顺序执行，以其他的顺序执行部分或者全部的步骤时可能的。权利要求中的任何附图标记不应被解释为对权利要求范围的限制。54.尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。









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