本發(fā)明是關于一種光學波前量測裝置與方法，尤其關于一種利用空間光調變器及波前拼接方式，來避免光點重疊并且重建具有高度像差的波前的光學波前量測裝置與方法。

背景技術：

考慮到鏡片大量的被應用于各種光學產品中，如何快速精確的檢測鏡片的光學品質也隨之被重視。光波的波前是具有相同相位的點的軌跡，即與產生光波的光源具有相同光學路徑長度的點。波前檢測除了傳統(tǒng)的干涉儀外，近來發(fā)展出一種Shack－Hartmann波前感測器(SHWS)，例如美國專利第4141652號，其具有成本低、結構簡單、量測速度快以及對環(huán)境振動要求低等優(yōu)點，因此已被大量應用于波前的量測。

圖1A及圖1B顯示Shack－Hartmann波前感測器及光波的波前的示意圖。如圖1A及圖1B所示，Shack－Hartmann波前感測器100包含一鏡頭陣列(Lens Array)110及一圖像感測器(Image Sensor)120。圖1A中的光波具有相同的相位，于圖1B中顯示發(fā)生波前橫向變化的光波。

依據(jù)Shack－Hartmann波前感測器100，波前橫向變化等于光點橫向偏移量除以鏡頭焦距。并且，可以再利用Zernike多項式來重建波前。更具體而言，先求得Zernike多項式系數(shù)，再將該多個系數(shù)帶入Zernike多項式中重建波前。關于演算方式，例如可以參考“Histroy and principle of Shack－Hartmann Wavefront Sensing”，屈光手術期刊2001年9月/10月第17卷，“Modal wave－front estimation from phase derivative measurements”，J.Opt.Soc.Am.1979年7月第7期第69卷，第972至977頁。

圖2顯示高度像差情形的不同光點成像于同一鏡頭陣列的對應位置，兩光點產生重疊(fold over)的示意圖。對于具有高度像差的波前而言，很容易產生如圖2所示的光點重疊的現(xiàn)象。如此一來，在計算光點橫向偏移量時，會無法判別，因此針對此問題已有許多技術被提出。例如，美國專利第7414712號、中國臺灣專利申請?zhí)柕? 095146676號、第09127215號等。于本說明書中，引用該多個專利，美國專利第4141652號、第7414712號及中國臺灣專利申請?zhí)柕?95146676號、第09127215號等說明書的內容，作為本說明書的揭示內容的一部分。

然而，一般光學元件或鏡頭或系統(tǒng)，其光瞳皆是圓形且相關特性分布對稱于軸心，因此該多個技術應用于非球面鏡片時，還有進一步改進的空間。為了有效解決高度像差下的橫向位移的鑒別問題，本發(fā)明提出改良波前感應器量測裝置及方法，其能夠應用于帶有高度像差的光學鏡片及系統(tǒng)的波前量測。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一目的在于提供一種光學波前量測裝置。另一目的在于提供一種利用空間光調變器及波前拼接方式，來避免光點重疊并且重建具有高度像差的波前的光學波前量測裝置與方法。

依據(jù)本發(fā)明一實施例，一種光學波前量測裝置，用以檢測一待測鏡片，其包括：一光學空間調制器、一波前感應裝置、一無窮物鏡模組及一計算機。光學空間調制器，產生相異的多個通孔，使多個光線通過該多個通孔后，形成多個光型。針對不同的該多個光型調整無窮物鏡模組與待測鏡片的距離(焦距)，使該多個光型通過該待測鏡片與該無窮物鏡模組，并形成近似平行光的該多個光型后，進入波前感應裝置。波前感應裝置，依據(jù)該多個光型，擷取多個波前感應圖像(WS圖像)，其中該多個WS圖像不具有光點重疊現(xiàn)象。計算機依據(jù)一演算法拼接該多個WS圖像，以求得一波前變化信息，并依據(jù)該波前變化信息重建一波前。

于一實施例中，光學波前量測裝置更包含一平行光源系統(tǒng)，用以產生該多個光線，其中該多個光線是平行光。

于一實施例中，無窮物鏡模組包含一無窮物鏡及一軸傳動器。該多個光型依序通過無窮物鏡模組與待測鏡片，該多個光型通過無窮物鏡后形成多個聚集光點，并且軸傳動器調整無窮物鏡模組與待測鏡片的距離，使該多個聚集光點位于待測鏡片的焦距。

于一實施例中，無窮物鏡模組包含一無窮物鏡及一軸傳動器。該多個光型依序通過待測鏡片與無窮物鏡模組，該多個光型通過待測鏡片后形成多個聚集光點，并且軸傳動器調整無窮物鏡模組與待測鏡片的距離，使該多個聚集光點位于無窮物鏡的焦 距。

于一實施例中，演算法為一相拼接演算法、一梯度拼接演算法或一最小平方擬合演算法。

于一實施例中，該多個通孔的形狀為多個同心形狀，其可以為圓形、方形或不規(guī)則形等。于一實施例中，該多個通孔包含同心的一圓形及一第一環(huán)形，且第一環(huán)形的通孔的內徑不大于圓形的通孔的孔徑。較佳的情況是，該多個通孔更包含一第二環(huán)形，其與第一環(huán)形同心，且第二環(huán)形的通孔的內徑不大于第一環(huán)形的通孔的外徑。

依據(jù)本發(fā)明一實施例，光學波前量測方法用以檢測一待測鏡片，并且包含以下步驟。利用一光學空間調制器，產生相異的多個通孔，使多個光線通過該多個通孔后，形成多個光型。針對不同的該多個光型調整無窮物鏡模組與待測鏡片的距離(焦距)，使該多個光型通過該待測鏡片與該無窮物鏡模組，并形成近似平行光的該多個光型后，進入一波前感應裝置。利用波前感應裝置，依據(jù)該多個光型，擷取多個波前感應圖像(WS圖像)，其中該多個WS圖像不具有光點重疊現(xiàn)象。利用一計算機，依據(jù)一演算法拼接該多個WS圖像，以求得一波前變化信息，并依據(jù)該波前變化信息重建一波前。

于一實施例中，該多個通孔包含同心的一圓形及一第一環(huán)形。該利用一光學空間調制器，產生相異的多個通孔的步驟包含以下步驟。使該圓形的孔徑，每次遞增一預定值△r，直到第n次發(fā)現(xiàn)該圓形的通孔所對應的該WS圖像產生光點重疊現(xiàn)象時，以第n-1次時的孔徑作為該圓形的孔徑。使該第一環(huán)形的內徑A₀不大于該圓形的孔徑使該第一環(huán)形的外徑，每次遞增一預定值△r1，直到第i次發(fā)現(xiàn)該第一環(huán)形的通孔所對應的該WS圖像產生光點重疊現(xiàn)象時，以第i-1次時的外徑A_i-1作為該第一環(huán)形的外徑A_i-1。

于一實施例中，該多個通孔更包含一第二環(huán)形，且第二環(huán)形與第一環(huán)形同心，前述利用一光學空間調制器，產生相異的多個通孔的步驟包含以下步驟。使第二環(huán)形的內徑2A₀不大于第一環(huán)形的外徑A_n-1。使第二環(huán)形的外徑，每次遞增一預定值△r2，直到第j次發(fā)現(xiàn)第二環(huán)形的通孔所對應的WS圖像產生光點重疊現(xiàn)象時，以第j-1次時的外徑2A_j-1作為第二環(huán)形的外徑2A_j-1。

于一實施例中，演算法為一相拼接演算法、一梯度拼接演算法或一最小平方擬合演算法。

依據(jù)本發(fā)明一實施例，利用取得相異的且不具有光點重疊(fold over)現(xiàn)象的多個WS圖像，并且將該多個WS圖像加以拼接，取得拼接后的波前像差信息，進而重建出一波前。因此，能夠解決高度像差下的橫向位移所產生的光點重疊(fold over)現(xiàn)象的問題，適合于檢測非球面鏡片。

附圖說明

圖1A及圖1B顯示Shack－Hartmann波前感測器及相異光波的波前的示意圖。

圖2顯示高度像差情形的不同光點成像于同一鏡頭陣列的對應位置，兩光點產生重疊(fold over)的示意圖。

圖3顯示本發(fā)明一實施例的光學波前量測裝置的示意圖。

圖4顯示本發(fā)明另一實施例的光學波前量測裝置的示意圖。

圖5顯示光點重疊(fold over)現(xiàn)象的示意圖。

圖6顯示無光點重疊現(xiàn)象的圓形的WS圖像的示意圖。

圖7顯示無光點重疊現(xiàn)象的第1個環(huán)形的A_n-1WS圖像的示意圖。

圖8顯示無光點重疊現(xiàn)象的第2個環(huán)形的2A_n-1WS圖像的示意圖。

圖9顯示不同孔徑分布的示意圖。

圖10A顯示拼接前的各別波前變化的示意圖。

圖10B顯示將圖10A的各別波前變化加以拼接后的完整波前變化信息的示意圖。

圖11顯示利用圖10B的拼接后的完整波前變化信息來重建波前的示意圖。

圖12A及圖12B顯示本發(fā)明一實施例的光學波前量測方法的流程圖。

附圖標號

100 Shack－Hartmann波前感測器

110 鏡頭陣列(Lens Array)

120 圖像感測器(Image Sensor)

201 光學波前量測裝置

210 光學空間調制器

220 無窮物鏡模組

221 無窮物鏡

222 Z軸傳動器

223 聚集光點

230 波前感應裝置

231 鏡頭陣列

232 圖像感測器

240 計算機

260 平行光源系統(tǒng)

300 待測鏡片

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的較佳實施例。在說明本發(fā)明之前，如果認為公知結構或功能的相關說明可能非必要地混淆本發(fā)明的主旨，將省略其詳細說明。

圖3顯示本發(fā)明一實施例的光學波前量測裝置的示意圖。如圖3所示，光學波前量測裝置201用以檢測一待測鏡片300，其包含一光學空間調制器(Spatial Light Modulator,SLM)210、一無窮物鏡模組220、一波前感應裝置230及一計算機240。于一實施例中，光學波前量測裝置201還可以更包含一平行光源系統(tǒng)260。平行光源系統(tǒng)260用以產生一平行光線。光學空間調制器210用以在不同時間點產生不同大小的通孔，通孔可以為通光圓形孔或通光環(huán)形孔，供平行光線通過后，形成圓形或環(huán)形的光型。光學空間調制器210可以采用穿透架構例如LCD；亦可以采用反射方式例如LCOS及DMD等。依據(jù)本發(fā)明一實施例，是利用分時的方式產生不同的多個平行光線，以在不同時間點進入不同的通孔后，形成多個相異的光型。以下，針對在某一時間點時的操作方式進行說明。

該光型穿過無窮物鏡模組220及待測鏡片300后，于波前感應裝置230中產生一波前感測圖像(WS圖像)并且利用波前感應裝置230擷取WS圖像，再傳送至計算機240。經(jīng)由窮物鏡模組220或待測鏡片300將該光型產生一聚集光點223，搭配該WS圖像，調整無窮物鏡模組220(于圖3實施例中為聚集光點223)與待測鏡片300間的距離，藉以使該光型以平行光進入波前感應裝置230。計算機240利用WS圖像進行波前演算以產生一所需波前。

更具體而言，于圖3實施例中，光型依序先經(jīng)過無窮物鏡模組220、待測鏡片300后再進入波前感應裝置230。無窮物鏡模組220包含一無窮物鏡221及一Z軸傳動器 222，無窮物鏡221產生一聚集光點223，Z軸傳動器222用以調整聚集光點223與待測鏡片300間的距離，使該光型以平行光進入波前感應裝置230，亦即使聚集光點223位于待測鏡片300的焦距后，該光型即可以平行光進入波前感應裝置230。

波前感應裝置230包含鏡頭陣列231及圖像感測器232。該光型穿過鏡頭陣列231后，經(jīng)由圖像感測器232擷取到該WS圖像后，傳送至計算機240。

計算機240用以控制光學空間調制器210、無窮物鏡模組220及波前感應裝置230，用以擷取WS圖像、控制焦距調整、分析光點重疊(flod over)、拼接(如后述)及利用該WS圖像進行波前演算，產生該所需波前。

圖4顯示本發(fā)明另一實施例的光學波前量測裝置的示意圖。圖4實施例相似于圖3實施例，因此相同的元件使用相同的符號，并省略其相關說明，以下僅說明相異處。如圖4所示，光型依序先經(jīng)過待測鏡片300、無窮物鏡模組220后再進入波前感應裝置230。待測鏡片300將該光型形成一聚集光點223。Z軸傳動器222用以調整聚集光點223與無窮物鏡221間的距離，使該光型以平行光進入波前感應裝置230，亦即使聚集光點223位于無窮物鏡221的焦距后，該光型即可以平行光進入波前感應裝置230。

以下更進一步說明，以拼接方式克服光點重疊(fold over)問題的方法。

圖5顯示光點重疊(fold over)現(xiàn)象的示意圖。如圖5所示，平行光全數(shù)通過光學空間調制器(SLM)及完整的待測鏡片光瞳后，因待測鏡片帶有高度像差，而產生光點重疊(fold over)現(xiàn)象。

圖6顯示無光點重疊現(xiàn)象的圓形的WS圖像的示意圖。為了克服光點重疊現(xiàn)象，利用光學空間調制器210，產生一圓形通光孔，其孔徑為并且使該孔徑每次以△r遞增，同時調整Z軸焦距以最佳化波前，直到第n次孔徑發(fā)生光點重疊現(xiàn)象(于一實施例中，更確認孔徑及孔徑的兩WS圖像之間無變化，如后述)時，停止孔徑變化，光學空間調制器210再切換至前一孔徑波前感應裝置230擷取孔徑的WS圖像，并利用計算機240記錄孔徑的WS圖像(以下表示為WS圖像)。此時WS圖像如圖6所示。

在過程中，若光學空間調制器210產生的孔徑變大，前后WS圖像亦無變化時，即達到待測鏡片300的最大光瞳，此時停止孔徑變化。

圖7顯示無光點重疊現(xiàn)象的第1個環(huán)形的A_i-1WS圖像的示意圖。以孔徑為 第1個環(huán)形的內徑A₀作為起點，使第1個環(huán)形的外徑每次以△r1遞增，同時調整Z軸焦距以最佳化波前，直到第i次外徑A_i發(fā)生光點重疊現(xiàn)象(于一實施例中，更確認外徑A_i及外徑A_i-1的兩WS圖像之間無變化，如后述)時，停止第1個環(huán)形外徑變化，光學空間調制器210再切換至前一外徑A_i-1。波前感應裝置230擷取具有外徑A_i-1的第1個環(huán)形A_i-1WS圖像，并利用計算機240記錄第1個環(huán)形A_i-1WS圖像(以下表示為A_i-1WS圖像)。此時A_i-1WS圖像如圖7所示。

在過程中，若光學空間調制器210產生的外徑變大，WS圖像亦無變化時，即達到待測鏡片300的最大光瞳，此時停止孔徑變化。此外，于一實施例中，亦可以使作為起點的內徑A₀小于孔徑亦即其中m的大小為重復區(qū)域的大小，可以視所采用的拼接方式而決定，當m＝0時無重復區(qū)域。

圖8顯示無光點重疊現(xiàn)象的第2個環(huán)形的2A_j-1WS圖像的示意圖。以第1個環(huán)形的外徑A_i-1作為第2個環(huán)形的內徑2A₀，使第2個環(huán)形的外徑每次以△r2遞增，同時調整Z軸焦距以最佳化波前，直到第j次第2個環(huán)形的外徑2A_j發(fā)生光點重疊現(xiàn)象(于一實施例中，更確認外徑2A_j及外徑2A_j-1的兩WS圖像之間無變化，如后述)時，停止外徑變化，光學空間調制器210再切換至前一外徑2A_j-1。波前感應裝置230擷取具有外徑2A_j-1的第2個環(huán)形的2A_j-1WS圖像，并利用計算機240記錄第2個環(huán)形的2A_j-1WS圖像(以下表示為2A_j-1WS圖像)。此時2A_j-1WS圖像如圖8所示。

在過程中，若光學空間調制器210產生的外徑變大，外徑2A_j及外徑2A_j-1的兩WS圖像之間無變化時，即達到待測鏡片300的最大光瞳，此時停止孔徑變化。此外，于一實施例中，亦可以使作為起點的內徑2A₀小于第1個環(huán)形的外徑A_i-1，亦即2A₀＝A_i-1-m*△r2，其中m的大小為重復區(qū)域的大小，可以視所采用的拼接方式而決定，當m＝0時無重復區(qū)域。

圖9顯示不同孔徑分布的示意圖。如圖9所示，重復上述步驟，即可求得沒有光點重疊現(xiàn)象的多個WS圖像，該多個WS圖像包含WS圖像、A_i-1WS圖像、2A_j-1WS圖像、……、xA_k-1WS圖像。

圖10A顯示拼接前的各別波前變化的示意圖。接著，如圖10A所示，利用該多個WS圖像可以分別求得各別波前變化。

圖10B顯示將圖10A的各別波前變化加以拼接后的完整波前變化信息的示意圖。如圖10B所示，利用前述步驟，求得該多個WS圖像之后，再利用各種演算法，來 將該多個WS圖像拼接，以求得拼接后的完整波前變化信息。前述演算法可以采用例如相拼接演算法(phase stitching algorithm,PSA)、梯度拼接演算法(gradient stitching algorithm,GSA)及最小平方擬合演算法(least-square fitting,LSF)等方法，來取得完整波前變化信息。

最后，重建完整光瞳的波前。如圖11所示，其顯示利用圖10B的拼接后的完整波前變化信息來重建波前的示意圖。

以下更具體地說明本發(fā)明的光學波前量測方法的一示例。圖12A及圖12B顯示本發(fā)明一實施例的光學波前量測方法的流程圖。如圖12A所示，光學波前量測方法包含以下步驟。SLM 210從系統(tǒng)軸心以△r遞增方式加大通光圓形孔孔徑(步驟1)。隨后，調整Z-Focus(調整Z軸焦距)，使聚集光點223位于待測鏡片300的焦距(步驟2)，并且確認WS圖像是否發(fā)生光點重疊現(xiàn)象(fold over)，若無光點重疊(fold over)時回到步驟1，若無光點重疊(fold over)且與WS圖像之間無變化時進行步驟3，亦即將圓形以Zernike多項式進行波前重建演算(步驟3)。若有光點重疊(fold over)時執(zhí)行步驟4，亦即記錄WS圖像(步驟4)。

接著，如圖12B所示，以為內徑，以△r遞增方式加大通光環(huán)形孔徑(m視重疊區(qū)域大小而定)(步驟5)。隨后，調整Z-Focus(調整Z軸焦距)，使聚集光點223位于待測鏡片300的焦距(步驟6)，并且確認WS圖像是否發(fā)生光點重疊現(xiàn)象(fold over)，若無光點重疊(fold over)時回到步驟5，若無光點重疊(fold over)且A_i與A_i-1WS圖像之間無變化時進行步驟7，亦即將WS圖像以Zernike多項式進行波前重建演算(步驟7)。若有光點重疊(fold over)時執(zhí)行步驟8，亦即記錄A_i-1WS圖像(步驟8)。

最后，重復上述步驟5～8記錄各個不同大小的環(huán)形WS圖像(步驟9)，在無光點重疊(fold over)且xA_k與xA_k-1WS圖像之間無變化時進行步驟10，亦即將A_i-1、……、xA_k-1WS圖像拼接及進行波前重建演算。

綜上所述，依據(jù)本發(fā)明一實施例，依據(jù)本發(fā)明一實施例，利用取得相異的且不具有光點重疊(fold over)現(xiàn)象的多個WS圖像，并且將該多個WS圖像加以拼接，取得拼接后的波前像差，進而計算出一波前。因此，能夠解決高度像差下的橫向位移所產生的光點重疊(fold over)現(xiàn)象的問題，適合于檢測非球面鏡片。