Phasics波前傳感器的應用案例（二）SID4在透鏡/鏡頭檢測方面的解決方案

Phasics波前傳感器以其橫向四波剪切技術(shù)聞名，其推出的SID4系列波前傳感器以高靈敏度、高分辨率、高重復性的特點更受市場青睞，以下為SID4在透鏡/鏡頭檢測方面的具體案例應用。

一、對復雜超表面進行精確表征的一種方法-超透鏡

1.1 針對超表面測量Phasics具備的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的低分辨率技術(shù)很難準確測量超透鏡的復雜特征，Phasics針對超透鏡提出了高效的解決方案，并具備以下4點優(yōu)勢:

Phasics sC8搭載顯微鏡測量場景

1.亞波長空間尺度下的高精度測量：Phasics的波前傳感器不僅具備優(yōu)于2nm RMS的光程差測量精度，還采用了便捷的C端接口設計，能夠直接連接顯微鏡，實現(xiàn)即插即用的快速安裝和亞波長級別的空間分辨率。2.偏振無關(guān)性：Phasics的波前傳感器支持全面的偏振測量，能夠精確分析超表面在不同偏振狀態(tài)下的光學響應，從而更好地評估器件的實際性能。3.多光譜測量能力：其產(chǎn)品能夠在多個波長范圍內(nèi)進行高精度測量，確保超透鏡在多光譜應用中的性能表現(xiàn)。4.環(huán)境穩(wěn)定性：Phasics的傳感器能夠在不穩(wěn)定的環(huán)境條件下保持精確測量，消除環(huán)境影響對測量結(jié)果干擾，確保數(shù)據(jù)可靠性。

1.2 Phasics超表面測量光路搭建

在下圖1這個例子中，超表面的簡單相位偏移得到了測量。Phasics的高精度波前傳感器，能夠檢測到因生產(chǎn)誤差所引起的局部相位缺陷，從而可以幫助制造工藝的評估和調(diào)整，保證超表面的生產(chǎn)質(zhì)量。

圖1:  基于四波橫向剪切干涉法的超表面光學表征

法國CNRS CRHEA 實驗室, S. Khadir - arXiv:2008.11369v1

下圖2描述了對一個Pancharatnam-Berry (PB) 超透鏡使用了兩種不同的圓偏振態(tài)進行測量：右旋和左旋。根據(jù)設計，當改變偏振狀態(tài)時，該超透鏡會生該超透鏡會生成正透鏡或負透鏡。

圖2: 左側(cè)顯示波前曲率的相位圖，右側(cè)是其相應的曲線輪廓。中間相位圖譜展示在濾掉波前曲率后殘余的波前誤差。

Phasics的QWLSI技術(shù)不會受到偏振的影響，因此在從右旋圓偏振切換到左旋圓偏振時，我們的設備仍然可以對波前進行詳細表征。圖2展示了波前曲率的變化。此外，可以通過濾掉主要的波前曲率來揭示殘余波前誤差，這些誤差反映了更高空間頻率的缺陷（見圖2中間的左側(cè)相位圖）。

圖3：左側(cè)為在設計波長544nm下測量的PB超透鏡，右側(cè)為在633nm下測量的相同超透鏡。在減去波前曲率后，顯示出在設計波長下測量的殘余誤差較低。

在圖3中，我們對同一個PB超透鏡在兩種不同的波長下進行了測量：544nm（其設計波長）和633nm。Phasics技術(shù)具有自消色差的特性，可以在傳感器模型的靈敏度范圍內(nèi)對任意波長進行測量。

測量結(jié)果顯示，當超透鏡在其設計的波長下使用時，產(chǎn)生的高空間頻率波前誤差較少。

圖4：PB金屬透鏡的測量。左側(cè)為強度圖像和總波前圖，右側(cè)通過濾波波前曲率（或澤尼克離焦項）揭示了其他光學像差。底部的柱狀圖顯示了主要的低階澤尼克像差。根據(jù)強度圖和波前圖生成了超透鏡的點擴散函數(shù)（PSF），并計算了調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）（右下角的圖像和圖表）

在圖4中，我們對一個PB金屬透鏡進行了測量。Phasics的SID4-HR波前傳感器的高動態(tài)范圍能夠同時捕捉主要波前曲率，并通過像差過濾顯示所需要的光學像差。

該樣品表現(xiàn)出45度的散光作為主要的澤尼克光學像差。通過使用強度圖和波前圖，Phasics技術(shù)能夠?qū)崟r計算超透鏡的點擴散函數(shù)（PSF）、二維光學傳遞函數(shù)（OTF）以及調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

通過精確測量波前并將其與制造樣品的設計理論進行比較，Phasics能夠幫助表征制造過程，確保實現(xiàn)預期的光學功能。此外，Phasics的計量解決方案能夠通過經(jīng)典的光學像差（如澤尼克系數(shù)）、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、點擴散函數(shù)（PSF）以及總波前誤差圖提供對超透鏡的全面光學性能表征。重要的是，這些測量均能實時進行，且僅需單次測量即可完成。

二、Phasics助力自動駕駛車載鏡頭光學性能優(yōu)化-Kaleo MTF測量儀/傳函儀解決方案

2.1 車載光學超寬視場與高性能需求

基于視覺成像方向的自動駕駛領(lǐng)域，從倒車輔助到全自動駕駛，鏡頭不僅需要滿足超寬視場（超過180°，如超廣角鏡頭，魚眼鏡頭等）和高數(shù)值孔徑（F/2）的需求，還需在400-1100 nm光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)高質(zhì)量成像，以適應更小的傳感器像素和復雜的圖像處理鏈。

傳統(tǒng)的光學測試方法面臨諸多挑戰(zhàn)：

- 低效的 MTF 傳函儀：效率低下，更換視場位置要進行復雜且耗時的重新對準。并且普通傳函儀不能提供MTF以外的光學缺陷信息，例如離焦、失準或非球面加工誤差等，并將缺陷類型與MTF結(jié)果關(guān)聯(lián)掛鉤。

- 繁瑣的傳統(tǒng)干涉法：需要雙程測量，并在切換視場位置時重新校準參考球體，無法實現(xiàn)測量自動化。

這些限制使得傳統(tǒng)方法難以滿足高效生產(chǎn)對精密測量的需求。

針對這一挑戰(zhàn)，Phasics為雷諾（Renault）研發(fā)了一種專為車載鏡頭提供自動化且高精度的質(zhì)量檢測計量平臺。該平臺能夠測量調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、光學像差系數(shù)以及光輻射數(shù)據(jù)，并涵蓋多個波長和視場點的測試。該算法還能夠推導出光闌透過率，以精確考慮視場邊緣出現(xiàn)的漸暈效應（vignetting effects）。整個平臺實現(xiàn)了自動化，能夠自動生成大量數(shù)據(jù)集，全面而詳盡地描述鏡頭的光學性能。這些數(shù)據(jù)集隨后通過仿真工具進一步處理，從場景到顯示圖像，成功幫助雷諾評估車載攝像頭的性能。

Kaleo MTF 全自動測試工作站

2.2 Kaleo MTF測量儀/傳函儀解決方案核心優(yōu)勢-雷諾汽車（Renault）

Phasics為雷諾提供的基于Kaleo MTF技術(shù)的解決方案通過四波橫向剪切干涉儀（QWLSI）技術(shù)，革新傳統(tǒng)測量方式。通過單程光路配置即可實現(xiàn)鏡頭的快速實時表征。該平臺的測量方式非常簡單并且滿足:

高效測量：無需在不同視場點之間進行多次對準或復雜配置，快速完成光程差（OPD）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）的全視場測量。

精準校正：借助光線追蹤算法，回溯波前至出瞳面，精準計算漸暈效應和孔徑傳輸。

廣譜兼容：適用于多波長環(huán)境，自動切換波長且無需額外校準，覆蓋從可見光到近紅外的應用需求。

通過Kaleo MTF的自動化操作，平臺在2.5秒內(nèi)即可完成一個視場點的數(shù)據(jù)采集，大幅提升產(chǎn)線檢測的效率和一致性。同時，系統(tǒng)的測量誤差在整個視場內(nèi)保持在1%以下，為汽車鏡頭性能評價提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

我們利用該計量平臺對兩款來自不同廠商的汽車魚眼鏡頭進行了測試，測試結(jié)果如下圖。

鏡頭#1 的 MTF 和低階像差性能表現(xiàn)

鏡頭#2的 MTF 和低階像差性能表現(xiàn)

分析顯示，盡管兩款鏡頭在整體光學質(zhì)量上表現(xiàn)相近，但在無漸暈視場范圍方面存在顯著差異，該測試為鏡頭性能優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。且該測試平臺具有很高的效率，每個視場點的測量時間僅為2.5秒，同時在自動化數(shù)據(jù)采集流程的支持下，具備優(yōu)異的重復性和可靠性。

2.3 Kaleo MTF-技術(shù)優(yōu)勢

Kaleo MTF可測試光譜范圍覆蓋紫外,可見光,近紅外以及短波紅外，且支持:

- 超寬視場（可達 ±90°）和高主光線角（CRA 高達 50°）的鏡頭測試(超廣角鏡頭，魚眼鏡頭等)

- 單次拍攝即可實現(xiàn)高精度MTF 和波前誤差（TWE）的同步測量

- 滿足在軸/離軸情況下有限/無限共軛光學配置

- 該系統(tǒng)自動化，可快速完成大批量鏡頭的完整視場測量，測量精度符合ISO 5725標準。

Kaleo MTF平臺的設計具有高度的適應性，可進一步擴展以滿足更大口徑鏡頭的完整MTF表征需求，從而實現(xiàn)快速、高精度的測量。通過引入適用于紫外（UV）及紅外（SWIR、MWIR、LWIR）波段的波前傳感器，該平臺可滿足多光譜范圍的光學系統(tǒng)測試需求，為更復雜的光學應用場景提供靈活且可靠的解決方案。

三、Phasics變焦電影鏡頭/手機鏡頭的精準波前測量

3.1 Phasics變焦電影鏡頭/手機鏡頭的精準波前測量-Angénieux(安琴)

在電影行業(yè)，鏡頭制造商如Angénieux（安琴）、Arri（阿萊）、Cooke（庫克）和Zeiss（蔡司）為許多經(jīng)典電影作品得以呈現(xiàn)視覺效果。

在電影和手機鏡頭的生產(chǎn)過程中，光學子組件（即鏡群組）的測量和校準是確保成像質(zhì)量的關(guān)鍵步驟之一。鏡頭通常由可移動的光學子組件組成，需對這些組件進行微米級的精確控制，以檢測對準偏差、拋光誤差或材料中微小的折射率不均勻性。此外，由于鏡群組在未裝配時無法實現(xiàn)成像效果，其成像質(zhì)量難以直接測量，且鏡群組普遍具有高球差，這給測量帶來了很大的難度。

傳統(tǒng)的MTF傳函儀無法對未成像狀態(tài)的鏡群組進行有效檢測；同時，鏡群組的品控過程中需要高動態(tài)范圍的測量能力，而非準直光束的檢測也超出了普通Shack-Hartmann波前傳感器的能力。因此，迫切需要一種合適的波前測量技術(shù)，以實現(xiàn)鏡群組的精確品控并滿足:

- 確保鏡群組符合設計規(guī)范：在zui終組裝前能夠驗證各個子組件是否符合光學設計，并支持與Zemax的模擬設計進行對比。

- 適用于高數(shù)值孔徑系統(tǒng)（F值低于F/2）且具有高球差（>45 µm PV）：快速成像系統(tǒng)中的鏡頭設計通常伴隨較大的球差，需要特殊的檢測手段來保證性能。

- 提高生產(chǎn)率：在組裝變焦鏡頭之前識別出有缺陷的組件，確保不合格組件不進入下一步流程，從而優(yōu)化生產(chǎn)效率。

3.2 Phasics針對安琴的解決方案

在光學檢測的高標準需求下，Phasics與安琴展開了深入合作，匯集雙方的專業(yè)技術(shù)，成功開發(fā)出一款工業(yè)檢測平臺，能夠高精度測量光學鏡群組。這一光學平臺搭載了基于四波橫向剪切技術(shù)的SID4-HR波前傳感器以及準直光源，具備超高動態(tài)范圍測量能力。

Phasics測量平臺

3.3 Phasics檢測平臺的主要特點

- 支持與Zemax設計的比較：可以與光學設計軟件Zemax的模擬結(jié)果進行比較分析，以確保實際組件符合設計標準。

- 逆?zhèn)鞑ニ惴ǎ和ㄟ^逆?zhèn)鞑ニ惴z測和校正光學誤差，有效提高鏡群組的成像質(zhì)量。

- 高質(zhì)量的100 毫米口徑準直光源：配備100毫米口徑的高質(zhì)量準直光源，確保整個平臺的絕對精度優(yōu)于100nmPV。

- 高動態(tài)范圍下的高球差處理能力：可處理球差高達45 µm PV的情況，并具備在此高動態(tài)范圍下的50 nm PV的球差測量精度，滿足大球差鏡群組的檢測要求。

- 用戶友好的操作界面：操作過程簡單便捷，用戶友好，含計算機輔助檢測步驟，數(shù)據(jù)庫記錄檢測結(jié)果，對準輔助工具，合格/不合格判定標準等。

Phasics的測量平臺

Phasics的測量平臺

四、Phasics助力多波長激光干涉儀解決方案-哈爾濱某大學

2019年7月17-19號，上海昊量光電在哈爾濱某大學成功安裝了一套法國Phasics公司多波長激光干涉儀系統(tǒng)，并經(jīng)過專家組驗收通過。多波長激光干涉儀在驗收過程中通過了各項指標要求檢測，獲得了客戶團隊的高度評價以及肯定。多波長激光干涉儀的品質(zhì)以及昊量光電優(yōu)質(zhì)的技術(shù)服務獲得了哈爾濱某大學驗收團隊的一致認可。

五、波前傳感器系列介紹

5.1 Kaleo MTF 測量儀/傳函儀

5.2 多波長激光干涉儀

5.3 190-400nm紫外波前傳感器

5.4 400-1100nm可見光-近紅外波前傳感器

5.5 900-1700nm短波紅外波前傳感器

5.6  3-5µm＆8-14µm中紅外波前傳感器

聲明：未經(jīng)昊量光電波前傳感器原廠法國Phasics授權(quán)，不得擅自使用文章內(nèi)容及圖片中的品牌信息，侵權(quán)必究！

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學測量設備、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學研究、國防、量子光學、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務。