波前探测用于离轴（off-axis ）光学测量

一种基于Shack-Hartmann原理的新一代光学诊断仪器，不仅可以用于近轴on-axis光学质量测试，还可以用于离轴off-axis光学测量，并可用于复杂透镜测试

光学透镜及镜头设计随着成像器件尺寸的增大、像元的越来越小，变得越来越复杂。最大的芯片可达 36.7mmX49.0mm ,手机芯片也达到500万像素。这些参数给光学设计和测试带来新的挑战。理想的测试设备是既能够在生产线上进行Go/No Go 测试，又可以作为一个光学质量诊断设备，而且方便使用。

干涉仪和MTF测试是传统的透镜或镜头的测试方法。干涉仪对得到表面的细节信息非常有用，但是相对较贵且不易应用到生产线上。尤其，干涉仪不能完成离轴光学测试，且只能工作在某一固定波长而无法对色差进行测试。MTF测试可以用于离轴测量，得到的测试信息主要是GO/NO GO信息，而且，由于采用了较多地移动部件进行扫描测试来寻找焦点，维护保养也是个问题。

理想的测试系统应该是既可以得到干涉仪提供的详细测试信息（泽尼克系数、点阵图、点扩散函数、MTF）,并且系统应该坚固耐用（测试结果不受震动和气流影响），又可以兼顾离轴和近轴测试，还可以灵活的进行配置以完成不同类型透镜的测试任务。此外还可以对色差进行测试,；能够适应不同环境、不同光学元件的测试需求；没有移动部件以适应生产环境的测试需要；系统紧凑、测试速度快；可以用于在线调试优化透镜系统。SpotOptics 的波前测试系统就是这样的一个系统（如图1所示）

5个波前探测器，一个用于近轴光学测试，另外4个用于离轴测量，即构成一个手机相机镜头的光学质量测试系统。多针孔光源发出的光照射到手机镜头上，5个接受波前探测相机得到点阵图像。利用高质量的镜头的平行光来得到校正图像。经过软件分析，可以对镜头的质量好坏进行分类。整个测试时间不超过5秒钟。离轴测试的角度可以自定义。

在该Shack-Hartmann 的测试原理中，从被测元件上发出的光瞳经过微透镜阵列，分解成光点，光点的位置取决于其波阵面的失常程度。光点的位置记录在CCD或CMOS成像器件上，经过计算得到波阵面的参数以及其他参数如：泽尼克系数、点阵图等等。

基于该原理的测试仪器的主要优点是结构紧凑、适应性强（受震动和气流影响很小），可以用于生产环境。还可以采用闭环控制进行测试分析用于复杂光学系统的装配、调校、优化、对准等。

该测试方法的局限是测试光束受限于CCD探测芯片的大小（通常小于10mm），需要用扩束器或光束压缩器来变换光束大小。因此预先校正的波前探测器作用不大，只能对4mm-8mm之间的光束和一定波长范围内保持足够的精度。除非使用的其他光学元件具有非常高的质量,这些元件的光学质量限制了波前探测仪器的应用。因此，通过适当的校正技术消除光学失常，得到高测试精度的结果非常重要。

校正图像与测试图像上的点阵必须自动结合来消去光学失常。对于微小的光学失常，算法相对容易，例如点的偏移。然而要对实际情形开发一种完美的算法相当困难，例如较大位移的点偏离引起的失常，由于光学元件的缺陷造成的点丢失。有人采用减小微透镜阵列的焦距（如4mm）的方法来解决这个问题，但是这样牺牲了测试的精度。

根据我们的多年经验和研究，已经开发出了一种非常有用的算法解决了这个问题。该算法使用现有的光学元件，对测试结果的各种可能性展开分析。这样使得Shack-Hartmann 的分析方法具备多功能性。一些离轴测试也可以实现。在这之前，仍然是不可能的。

Off-axis testing
在复杂的光学系统中，定义和测量最佳焦点和光轴是非常困难的。只有在整个视场内进行离轴测试才能确定可以得到最佳像质的配置。例如，由于倾斜造成的彗差通过调整补偿通常是可以接受的。但是这种方法对离轴的像面质量却没有改善。

我们采用Spot Optics的波前测试系统对一个复杂f/4的数码相机镜头进行测试，该镜头在平行光束、广角位置有20多个光学面。并与理论测算的结果进行对比如图2 。虽然我们的软件可以测得许多参数，这里仅仅对MTF和泽尼克系数进行对比说明。

在60 lp/mm 位置处的MTF值分别是近轴0.56, 切线方向0.34，弧矢方向0.27，相应的测量结果分别为0.64，0.21，和-0.073。这说明，相对于设计的模型，该镜头具有较大的离轴散焦和其它像差。然而，仅从MTF值无法推断何种原因导致的，必须借助全面的泽尼克分析。

有趣的地方是，该镜头近轴中心位置的MTF高于该模型的设计值，说明在中心位置的光学质量超过设计的规格。这一点可以由所测到的较低的球差值印证（下面的内容会讨论到）。
上面的测试是在650nm波长进行的。通过更换滤光片并重新校正系统的方式，可以在任意波长进行测试。

通过将测试得到的5个位置的标准泽尼克失常系数（3阶彗差、球差、散光）与设计的理论值进行比较，计算得到与最佳焦面的散焦偏离量（um）。需要特别说明的是，我们的软件是通过数学计算的方法得到散焦偏离量的，没有任何物理扫描的过程，与MTF的测试方法完全不同。

近轴设计的球差是-44nm，但是测到的值是-18nm，实际镜头性能超越设计值（如同MTF值体现的一样）。当然，离轴的情况就不一样了。这个测量得到的信息对分析加工生产过程的问题非常有用，例如可相应的修正非球面透镜，或者加衬，修正元件之间的间距等等。

中心位置的彗差并非零值，说明各光学元件对准不理想，散光是对准和应力综合作用的结果。此外，彗差和散光在光轴周围呈非对称性分布，对于该复杂镜头，这说明，除了离轴的像差是导因之外，个别透镜单元未对准以及透镜组都造成了该像差。

本文讨论的内容强调了在整个成像区域优化镜头的必要性，由于缺乏测试手段，直到目前还是不可能的。通过进行全区域分析得到的反馈信息对分析加工和装配过程中的问题是一个功能强大和必须的工具。可以节省相当的时间和金钱。当然，我们这里讨论的是一个数码相机的镜头，该系统还可以用于手机摄像头镜头，远心透镜以及电视镜头测试，以及其它复杂光学系统，如HUD等。

leon-lou	2012-02-21 13:19
实时调整 TnbGO; [attachment=39556]

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