光学波前量测装置与方法与流程

本发明是关于一种光学波前量测装置与方法，尤其关于一种利用空间光调变器及波前拼接方式，来避免光点重叠并且重建具有高度像差的波前的光学波前量测装置与方法。

背景技术：

考虑到镜片大量的被应用于各种光学产品中，如何快速精确的检测镜片的光学品质也随之被重视。光波的波前是具有相同相位的点的轨迹，即与产生光波的光源具有相同光学路径长度的点。波前检测除了传统的干涉仪外，近来发展出一种Shack－Hartmann波前感测器(SHWS)，例如美国专利第4141652号，其具有成本低、结构简单、量测速度快以及对环境振动要求低等优点，因此已被大量应用于波前的量测。

图1A及图1B显示Shack－Hartmann波前感测器及光波的波前的示意图。如图1A及图1B所示，Shack－Hartmann波前感测器100包含一镜头阵列(Lens Array)110及一图像感测器(Image Sensor)120。图1A中的光波具有相同的相位，于图1B中显示发生波前横向变化的光波。

依据Shack－Hartmann波前感测器100，波前横向变化等于光点横向偏移量除以镜头焦距。并且，可以再利用Zernike多项式来重建波前。更具体而言，先求得Zernike多项式系数，再将该多个系数带入Zernike多项式中重建波前。关于演算方式，例如可以参考“Histroy and principle of Shack－Hartmann Wavefront Sensing”，屈光手术期刊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页。

图2显示高度像差情形的不同光点成像于同一镜头阵列的对应位置，两光点产生重叠(fold over)的示意图。对于具有高度像差的波前而言，很容易产生如图2所示的光点重叠的现象。如此一来，在计算光点横向偏移量时，会无法判别，因此针对此问题已有许多技术被提出。例如，美国专利第7414712号、中国台湾专利申请号第 095146676号、第09127215号等。于本说明书中，引用该多个专利，美国专利第4141652号、第7414712号及中国台湾专利申请号第095146676号、第09127215号等说明书的内容，作为本说明书的揭示内容的一部分。

然而，一般光学元件或镜头或系统，其光瞳皆是圆形且相关特性分布对称于轴心，因此该多个技术应用于非球面镜片时，还有进一步改进的空间。为了有效解决高度像差下的横向位移的鉴别问题，本发明提出改良波前感应器量测装置及方法，其能够应用于带有高度像差的光学镜片及系统的波前量测。

技术实现要素：

本发明的一目的在于提供一种光学波前量测装置。另一目的在于提供一种利用空间光调变器及波前拼接方式，来避免光点重叠并且重建具有高度像差的波前的光学波前量测装置与方法。

依据本发明一实施例，一种光学波前量测装置，用以检测一待测镜片，其包括：一光学空间调制器、一波前感应装置、一无穷物镜模组及一计算机。光学空间调制器，产生相异的多个通孔，使多个光线通过该多个通孔后，形成多个光型。针对不同的该多个光型调整无穷物镜模组与待测镜片的距离(焦距)，使该多个光型通过该待测镜片与该无穷物镜模组，并形成近似平行光的该多个光型后，进入波前感应装置。波前感应装置，依据该多个光型，撷取多个波前感应图像(WS图像)，其中该多个WS图像不具有光点重叠现象。计算机依据一演算法拼接该多个WS图像，以求得一波前变化信息，并依据该波前变化信息重建一波前。

于一实施例中，光学波前量测装置更包含一平行光源系统，用以产生该多个光线，其中该多个光线是平行光。

于一实施例中，无穷物镜模组包含一无穷物镜及一轴传动器。该多个光型依序通过无穷物镜模组与待测镜片，该多个光型通过无穷物镜后形成多个聚集光点，并且轴传动器调整无穷物镜模组与待测镜片的距离，使该多个聚集光点位于待测镜片的焦距。

于一实施例中，无穷物镜模组包含一无穷物镜及一轴传动器。该多个光型依序通过待测镜片与无穷物镜模组，该多个光型通过待测镜片后形成多个聚集光点，并且轴传动器调整无穷物镜模组与待测镜片的距离，使该多个聚集光点位于无穷物镜的焦 距。

于一实施例中，演算法为一相拼接演算法、一梯度拼接演算法或一最小平方拟合演算法。

于一实施例中，该多个通孔的形状为多个同心形状，其可以为圆形、方形或不规则形等。于一实施例中，该多个通孔包含同心的一圆形及一第一环形，且第一环形的通孔的内径不大于圆形的通孔的孔径。较佳的情况是，该多个通孔更包含一第二环形，其与第一环形同心，且第二环形的通孔的内径不大于第一环形的通孔的外径。

依据本发明一实施例，光学波前量测方法用以检测一待测镜片，并且包含以下步骤。利用一光学空间调制器，产生相异的多个通孔，使多个光线通过该多个通孔后，形成多个光型。针对不同的该多个光型调整无穷物镜模组与待测镜片的距离(焦距)，使该多个光型通过该待测镜片与该无穷物镜模组，并形成近似平行光的该多个光型后，进入一波前感应装置。利用波前感应装置，依据该多个光型，撷取多个波前感应图像(WS图像)，其中该多个WS图像不具有光点重叠现象。利用一计算机，依据一演算法拼接该多个WS图像，以求得一波前变化信息，并依据该波前变化信息重建一波前。

于一实施例中，该多个通孔包含同心的一圆形及一第一环形。该利用一光学空间调制器，产生相异的多个通孔的步骤包含以下步骤。使该圆形的孔径，每次递增一预定值△r，直到第n次发现该圆形的通孔所对应的该WS图像产生光点重叠现象时，以第n-1次时的孔径作为该圆形的孔径。使该第一环形的内径A₀不大于该圆形的孔径使该第一环形的外径，每次递增一预定值△r1，直到第i次发现该第一环形的通孔所对应的该WS图像产生光点重叠现象时，以第i-1次时的外径A_i-1作为该第一环形的外径A_i-1。

于一实施例中，该多个通孔更包含一第二环形，且第二环形与第一环形同心，前述利用一光学空间调制器，产生相异的多个通孔的步骤包含以下步骤。使第二环形的内径2A₀不大于第一环形的外径A_n-1。使第二环形的外径，每次递增一预定值△r2，直到第j次发现第二环形的通孔所对应的WS图像产生光点重叠现象时，以第j-1次时的外径2A_j-1作为第二环形的外径2A_j-1。

于一实施例中，演算法为一相拼接演算法、一梯度拼接演算法或一最小平方拟合演算法。

依据本发明一实施例，利用取得相异的且不具有光点重叠(fold over)现象的多个WS图像，并且将该多个WS图像加以拼接，取得拼接后的波前像差信息，进而重建出一波前。因此，能够解决高度像差下的横向位移所产生的光点重叠(fold over)现象的问题，适合于检测非球面镜片。

附图说明

图1A及图1B显示Shack－Hartmann波前感测器及相异光波的波前的示意图。

图2显示高度像差情形的不同光点成像于同一镜头阵列的对应位置，两光点产生重叠(fold over)的示意图。

图3显示本发明一实施例的光学波前量测装置的示意图。

图4显示本发明另一实施例的光学波前量测装置的示意图。

图5显示光点重叠(fold over)现象的示意图。

图6显示无光点重叠现象的圆形的WS图像的示意图。

图7显示无光点重叠现象的第1个环形的A_n-1WS图像的示意图。

图8显示无光点重叠现象的第2个环形的2A_n-1WS图像的示意图。

图9显示不同孔径分布的示意图。

图10A显示拼接前的各别波前变化的示意图。

图10B显示将图10A的各别波前变化加以拼接后的完整波前变化信息的示意图。

图11显示利用图10B的拼接后的完整波前变化信息来重建波前的示意图。

图12A及图12B显示本发明一实施例的光学波前量测方法的流程图。

附图标号

100 Shack－Hartmann波前感测器

110 镜头阵列(Lens Array)

120 图像感测器(Image Sensor)

201 光学波前量测装置

210 光学空间调制器

220 无穷物镜模组

221 无穷物镜

222 Z轴传动器

223 聚集光点

230 波前感应装置

231 镜头阵列

232 图像感测器

240 计算机

260 平行光源系统

300 待测镜片

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的较佳实施例。在说明本发明之前，如果认为公知结构或功能的相关说明可能非必要地混淆本发明的主旨，将省略其详细说明。

图3显示本发明一实施例的光学波前量测装置的示意图。如图3所示，光学波前量测装置201用以检测一待测镜片300，其包含一光学空间调制器(Spatial Light Modulator,SLM)210、一无穷物镜模组220、一波前感应装置230及一计算机240。于一实施例中，光学波前量测装置201还可以更包含一平行光源系统260。平行光源系统260用以产生一平行光线。光学空间调制器210用以在不同时间点产生不同大小的通孔，通孔可以为通光圆形孔或通光环形孔，供平行光线通过后，形成圆形或环形的光型。光学空间调制器210可以采用穿透架构例如LCD；亦可以采用反射方式例如LCOS及DMD等。依据本发明一实施例，是利用分时的方式产生不同的多个平行光线，以在不同时间点进入不同的通孔后，形成多个相异的光型。以下，针对在某一时间点时的操作方式进行说明。

该光型穿过无穷物镜模组220及待测镜片300后，于波前感应装置230中产生一波前感测图像(WS图像)并且利用波前感应装置230撷取WS图像，再传送至计算机240。经由穷物镜模组220或待测镜片300将该光型产生一聚集光点223，搭配该WS图像，调整无穷物镜模组220(于图3实施例中为聚集光点223)与待测镜片300间的距离，藉以使该光型以平行光进入波前感应装置230。计算机240利用WS图像进行波前演算以产生一所需波前。

更具体而言，于图3实施例中，光型依序先经过无穷物镜模组220、待测镜片300后再进入波前感应装置230。无穷物镜模组220包含一无穷物镜221及一Z轴传动器 222，无穷物镜221产生一聚集光点223，Z轴传动器222用以调整聚集光点223与待测镜片300间的距离，使该光型以平行光进入波前感应装置230，亦即使聚集光点223位于待测镜片300的焦距后，该光型即可以平行光进入波前感应装置230。

波前感应装置230包含镜头阵列231及图像感测器232。该光型穿过镜头阵列231后，经由图像感测器232撷取到该WS图像后，传送至计算机240。

计算机240用以控制光学空间调制器210、无穷物镜模组220及波前感应装置230，用以撷取WS图像、控制焦距调整、分析光点重叠(flod over)、拼接(如后述)及利用该WS图像进行波前演算，产生该所需波前。

图4显示本发明另一实施例的光学波前量测装置的示意图。图4实施例相似于图3实施例，因此相同的元件使用相同的符号，并省略其相关说明，以下仅说明相异处。如图4所示，光型依序先经过待测镜片300、无穷物镜模组220后再进入波前感应装置230。待测镜片300将该光型形成一聚集光点223。Z轴传动器222用以调整聚集光点223与无穷物镜221间的距离，使该光型以平行光进入波前感应装置230，亦即使聚集光点223位于无穷物镜221的焦距后，该光型即可以平行光进入波前感应装置230。

以下更进一步说明，以拼接方式克服光点重叠(fold over)问题的方法。

图5显示光点重叠(fold over)现象的示意图。如图5所示，平行光全数通过光学空间调制器(SLM)及完整的待测镜片光瞳后，因待测镜片带有高度像差，而产生光点重叠(fold over)现象。

图6显示无光点重叠现象的圆形的WS图像的示意图。为了克服光点重叠现象，利用光学空间调制器210，产生一圆形通光孔，其孔径为并且使该孔径每次以△r递增，同时调整Z轴焦距以最佳化波前，直到第n次孔径发生光点重叠现象(于一实施例中，更确认孔径及孔径的两WS图像之间无变化，如后述)时，停止孔径变化，光学空间调制器210再切换至前一孔径波前感应装置230撷取孔径的WS图像，并利用计算机240记录孔径的WS图像(以下表示为WS图像)。此时WS图像如图6所示。

在过程中，若光学空间调制器210产生的孔径变大，前后WS图像亦无变化时，即达到待测镜片300的最大光瞳，此时停止孔径变化。

图7显示无光点重叠现象的第1个环形的A_i-1WS图像的示意图。以孔径为 第1个环形的内径A₀作为起点，使第1个环形的外径每次以△r1递增，同时调整Z轴焦距以最佳化波前，直到第i次外径A_i发生光点重叠现象(于一实施例中，更确认外径A_i及外径A_i-1的两WS图像之间无变化，如后述)时，停止第1个环形外径变化，光学空间调制器210再切换至前一外径A_i-1。波前感应装置230撷取具有外径A_i-1的第1个环形A_i-1WS图像，并利用计算机240记录第1个环形A_i-1WS图像(以下表示为A_i-1WS图像)。此时A_i-1WS图像如图7所示。

在过程中，若光学空间调制器210产生的外径变大，WS图像亦无变化时，即达到待测镜片300的最大光瞳，此时停止孔径变化。此外，于一实施例中，亦可以使作为起点的内径A₀小于孔径亦即其中m的大小为重复区域的大小，可以视所采用的拼接方式而决定，当m＝0时无重复区域。

图8显示无光点重叠现象的第2个环形的2A_j-1WS图像的示意图。以第1个环形的外径A_i-1作为第2个环形的内径2A₀，使第2个环形的外径每次以△r2递增，同时调整Z轴焦距以最佳化波前，直到第j次第2个环形的外径2A_j发生光点重叠现象(于一实施例中，更确认外径2A_j及外径2A_j-1的两WS图像之间无变化，如后述)时，停止外径变化，光学空间调制器210再切换至前一外径2A_j-1。波前感应装置230撷取具有外径2A_j-1的第2个环形的2A_j-1WS图像，并利用计算机240记录第2个环形的2A_j-1WS图像(以下表示为2A_j-1WS图像)。此时2A_j-1WS图像如图8所示。

在过程中，若光学空间调制器210产生的外径变大，外径2A_j及外径2A_j-1的两WS图像之间无变化时，即达到待测镜片300的最大光瞳，此时停止孔径变化。此外，于一实施例中，亦可以使作为起点的内径2A₀小于第1个环形的外径A_i-1，亦即2A₀＝A_i-1-m*△r2，其中m的大小为重复区域的大小，可以视所采用的拼接方式而决定，当m＝0时无重复区域。

图9显示不同孔径分布的示意图。如图9所示，重复上述步骤，即可求得没有光点重叠现象的多个WS图像，该多个WS图像包含WS图像、A_i-1WS图像、2A_j-1WS图像、……、xA_k-1WS图像。

图10A显示拼接前的各别波前变化的示意图。接着，如图10A所示，利用该多个WS图像可以分别求得各别波前变化。

图10B显示将图10A的各别波前变化加以拼接后的完整波前变化信息的示意图。如图10B所示，利用前述步骤，求得该多个WS图像之后，再利用各种演算法，来 将该多个WS图像拼接，以求得拼接后的完整波前变化信息。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)及最小平方拟合演算法(least-square fitting,LSF)等方法，来取得完整波前变化信息。

最后，重建完整光瞳的波前。如图11所示，其显示利用图10B的拼接后的完整波前变化信息来重建波前的示意图。

以下更具体地说明本发明的光学波前量测方法的一示例。图12A及图12B显示本发明一实施例的光学波前量测方法的流程图。如图12A所示，光学波前量测方法包含以下步骤。SLM 210从系统轴心以△r递增方式加大通光圆形孔孔径(步骤1)。随后，调整Z-Focus(调整Z轴焦距)，使聚集光点223位于待测镜片300的焦距(步骤2)，并且确认WS图像是否发生光点重叠现象(fold over)，若无光点重叠(fold over)时回到步骤1，若无光点重叠(fold over)且与WS图像之间无变化时进行步骤3，亦即将圆形以Zernike多项式进行波前重建演算(步骤3)。若有光点重叠(fold over)时执行步骤4，亦即记录WS图像(步骤4)。

接着，如图12B所示，以为内径，以△r递增方式加大通光环形孔径(m视重叠区域大小而定)(步骤5)。随后，调整Z-Focus(调整Z轴焦距)，使聚集光点223位于待测镜片300的焦距(步骤6)，并且确认WS图像是否发生光点重叠现象(fold over)，若无光点重叠(fold over)时回到步骤5，若无光点重叠(fold over)且A_i与A_i-1WS图像之间无变化时进行步骤7，亦即将WS图像以Zernike多项式进行波前重建演算(步骤7)。若有光点重叠(fold over)时执行步骤8，亦即记录A_i-1WS图像(步骤8)。

最后，重复上述步骤5～8记录各个不同大小的环形WS图像(步骤9)，在无光点重叠(fold over)且xA_k与xA_k-1WS图像之间无变化时进行步骤10，亦即将A_i-1、……、xA_k-1WS图像拼接及进行波前重建演算。

综上所述，依据本发明一实施例，依据本发明一实施例，利用取得相异的且不具有光点重叠(fold over)现象的多个WS图像，并且将该多个WS图像加以拼接，取得拼接后的波前像差，进而计算出一波前。因此，能够解决高度像差下的横向位移所产生的光点重叠(fold over)现象的问题，适合于检测非球面镜片。