Phasics波前傳感器的應(yīng)用案例（二）SID4在透鏡/鏡頭檢測(cè)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(fù)性的特點(diǎn)更受市場(chǎng)青睞，以下為SID4在透鏡/鏡頭檢測(cè)方面的具體案例應(yīng)用。

一、對(duì)復(fù)雜超表面進(jìn)行精確表征的一種方法-超透鏡

1.1 針對(duì)超表面測(cè)量Phasics具備的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的低分辨率技術(shù)很難準(zhǔn)確測(cè)量超透鏡的復(fù)雜特征，Phasics針對(duì)超透鏡提出了高效的解決方案，并具備以下4點(diǎn)優(yōu)勢(shì):

Phasics sC8搭載顯微鏡測(cè)量場(chǎng)景

1.亞波長(zhǎng)空間尺度下的高精度測(cè)量：Phasics的波前傳感器不僅具備優(yōu)于2nm RMS的光程差測(cè)量精度，還采用了便捷的C端接口設(shè)計(jì)，能夠直接連接顯微鏡，實(shí)現(xiàn)即插即用的快速安裝和亞波長(zhǎng)級(jí)別的空間分辨率。2.偏振無(wú)關(guān)性：Phasics的波前傳感器支持全面的偏振測(cè)量，能夠精確分析超表面在不同偏振狀態(tài)下的光學(xué)響應(yīng)，從而更好地評(píng)估器件的實(shí)際性能。3.多光譜測(cè)量能力：其產(chǎn)品能夠在多個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行高精度測(cè)量，確保超透鏡在多光譜應(yīng)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(cè)量，消除環(huán)境影響對(duì)測(cè)量結(jié)果干擾，確保數(shù)據(jù)可靠性。

1.2 Phasics超表面測(cè)量光路搭建

在下圖1這個(gè)例子中，超表面的簡(jiǎn)單相位偏移得到了測(cè)量。Phasics的高精度波前傳感器，能夠檢測(cè)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(píng)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(xué)表征

法國(guó)CNRS CRHEA 實(shí)驗(yàn)室, S. Khadir - arXiv:2008.11369v1

下圖2描述了對(duì)一個(gè)Pancharatnam-Berry (PB) 超透鏡使用了兩種不同的圓偏振態(tài)進(jìn)行測(cè)量：右旋和左旋。根據(jù)設(shè)計(jì)，當(dāng)改變偏振狀態(tài)時(shí)，該超透鏡會(huì)生該超透鏡會(huì)生成正透鏡或負(fù)透鏡。

圖2: 左側(cè)顯示波前曲率的相位圖，右側(cè)是其相應(yīng)的曲線(xiàn)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(huì)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(shí)，我們的設(shè)備仍然可以對(duì)波前進(jìn)行詳細(xì)表征。圖2展示了波前曲率的變化。此外，可以通過(guò)濾掉主要的波前曲率來(lái)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(jiàn)圖2中間的左側(cè)相位圖）。

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

在圖3中，我們對(duì)同一個(gè)PB超透鏡在兩種不同的波長(zhǎng)下進(jìn)行了測(cè)量：544nm（其設(shè)計(jì)波長(zhǎng)）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(duì)任意波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量結(jié)果顯示，當(dāng)超透鏡在其設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)下使用時(shí)，產(chǎn)生的高空間頻率波前誤差較少。

圖4：PB金屬透鏡的測(cè)量。左側(cè)為強(qiáng)度圖像和總波前圖，右側(cè)通過(guò)濾波波前曲率（或澤尼克離焦項(xiàng)）揭示了其他光學(xué)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(qiáng)度圖和波前圖生成了超透鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF），并計(jì)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(duì)一個(gè)PB金屬透鏡進(jìn)行了測(cè)量。Phasics的SID4-HR波前傳感器的高動(dòng)態(tài)范圍能夠同時(shí)捕捉主要波前曲率，并通過(guò)像差過(guò)濾顯示所需要的光學(xué)像差。

該樣品表現(xiàn)出45度的散光作為主要的澤尼克光學(xué)像差。通過(guò)使用強(qiáng)度圖和波前圖，Phasics技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算超透鏡的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）、二維光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）以及調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

通過(guò)精確測(cè)量波前并將其與制造樣品的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行比較，Phasics能夠幫助表征制造過(guò)程，確保實(shí)現(xiàn)預(yù)期的光學(xué)功能。此外，Phasics的計(jì)量解決方案能夠通過(guò)經(jīng)典的光學(xué)像差（如澤尼克系數(shù)）、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF）以及總波前誤差圖提供對(duì)超透鏡的全面光學(xué)性能表征。重要的是，這些測(cè)量均能實(shí)時(shí)進(jìn)行，且僅需單次測(cè)量即可完成。

二、Phasics助力自動(dòng)駕駛車(chē)載鏡頭光學(xué)性能優(yōu)化-Kaleo MTF測(cè)量?jī)x/傳函儀解決方案

2.1 車(chē)載光學(xué)超寬視場(chǎng)與高性能需求

基于視覺(jué)成像方向的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，從倒車(chē)輔助到全自動(dòng)駕駛，鏡頭不僅需要滿(mǎn)足超寬視場(chǎng)（超過(guò)180°，如超廣角鏡頭，魚(yú)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量成像，以適應(yīng)更小的傳感器像素和復(fù)雜的圖像處理鏈。

傳統(tǒng)的光學(xué)測(cè)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(chǎng)位置要進(jìn)行復(fù)雜且耗時(shí)的重新對(duì)準(zhǔn)。并且普通傳函儀不能提供MTF以外的光學(xué)缺陷信息，例如離焦、失準(zhǔn)或非球面加工誤差等，并將缺陷類(lèi)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(cè)量，并在切換視場(chǎng)位置時(shí)重新校準(zhǔn)參考球體，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化。

這些限制使得傳統(tǒng)方法難以滿(mǎn)足高效生產(chǎn)對(duì)精密測(cè)量的需求。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，Phasics為雷諾（Renault）研發(fā)了一種專(zhuān)為車(chē)載鏡頭提供自動(dòng)化且高精度的質(zhì)量檢測(cè)計(jì)量平臺(tái)。該平臺(tái)能夠測(cè)量調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）、光學(xué)像差系數(shù)以及光輻射數(shù)據(jù)，并涵蓋多個(gè)波長(zhǎng)和視場(chǎng)點(diǎn)的測(cè)試。該算法還能夠推導(dǎo)出光闌透過(guò)率，以精確考慮視場(chǎng)邊緣出現(xiàn)的漸暈效應(yīng)（vignetting effects）。整個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，能夠自動(dòng)生成大量數(shù)據(jù)集，全面而詳盡地描述鏡頭的光學(xué)性能。這些數(shù)據(jù)集隨后通過(guò)仿真工具進(jìn)一步處理，從場(chǎng)景到顯示圖像，成功幫助雷諾評(píng)估車(chē)載攝像頭的性能。

Kaleo MTF 全自動(dòng)測(cè)試工作站

2.2 Kaleo MTF測(cè)量?jī)x/傳函儀解決方案核心優(yōu)勢(shì)-雷諾汽車(chē)（Renault）

Phasics為雷諾提供的基于Kaleo MTF技術(shù)的解決方案通過(guò)四波橫向剪切干涉儀（QWLSI）技術(shù)，革新傳統(tǒng)測(cè)量方式。通過(guò)單程光路配置即可實(shí)現(xiàn)鏡頭的快速實(shí)時(shí)表征。該平臺(tái)的測(cè)量方式非常簡(jiǎn)單并且滿(mǎn)足:

高效測(cè)量：無(wú)需在不同視場(chǎng)點(diǎn)之間進(jìn)行多次對(duì)準(zhǔn)或復(fù)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(chǎng)測(cè)量。

精準(zhǔn)校正：借助光線(xiàn)追蹤算法，回溯波前至出瞳面，精準(zhǔn)計(jì)算漸暈效應(yīng)和孔徑傳輸。

廣譜兼容：適用于多波長(zhǎng)環(huán)境，自動(dòng)切換波長(zhǎng)且無(wú)需額外校準(zhǔn)，覆蓋從可見(jiàn)光到近紅外的應(yīng)用需求。

通過(guò)Kaleo MTF的自動(dòng)化操作，平臺(tái)在2.5秒內(nèi)即可完成一個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，大幅提升產(chǎn)線(xiàn)檢測(cè)的效率和一致性。同時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量誤差在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)保持在1%以下，為汽車(chē)鏡頭性能評(píng)價(jià)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

我們利用該計(jì)量平臺(tái)對(duì)兩款來(lái)自不同廠商的汽車(chē)魚(yú)眼鏡頭進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)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(xué)質(zhì)量上表現(xiàn)相近，但在無(wú)漸暈視場(chǎng)范圍方面存在顯著差異，該測(cè)試為鏡頭性能優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。且該測(cè)試平臺(tái)具有很高的效率，每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間僅為2.5秒，同時(shí)在自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集流程的支持下，具備優(yōu)異的重復(fù)性和可靠性。

2.3 Kaleo MTF-技術(shù)優(yōu)勢(shì)

Kaleo MTF可測(cè)試光譜范圍覆蓋紫外,可見(jiàn)光,近紅外以及短波紅外，且支持:

- 超寬視場(chǎng)（可達(dá) ±90°）和高主光線(xiàn)角（CRA 高達(dá) 50°）的鏡頭測(cè)試(超廣角鏡頭，魚(yú)眼鏡頭等)

- 單次拍攝即可實(shí)現(xiàn)高精度MTF 和波前誤差（TWE）的同步測(cè)量

- 滿(mǎn)足在軸/離軸情況下有限/無(wú)限共軛光學(xué)配置

- 該系統(tǒng)自動(dòng)化，可快速完成大批量鏡頭的完整視場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量精度符合ISO 5725標(biāo)準(zhǔn)。

Kaleo MTF平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有高度的適應(yīng)性，可進(jìn)一步擴(kuò)展以滿(mǎn)足更大口徑鏡頭的完整MTF表征需求，從而實(shí)現(xiàn)快速、高精度的測(cè)量。通過(guò)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(tái)可滿(mǎn)足多光譜范圍的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試需求，為更復(fù)雜的光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景提供靈活且可靠的解決方案。

三、Phasics變焦電影鏡頭/手機(jī)鏡頭的精準(zhǔn)波前測(cè)量

3.1 Phasics變焦電影鏡頭/手機(jī)鏡頭的精準(zhǔn)波前測(cè)量-Angénieux(安琴)

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

在電影和手機(jī)鏡頭的生產(chǎn)過(guò)程中，光學(xué)子組件（即鏡群組）的測(cè)量和校準(zhǔn)是確保成像質(zhì)量的關(guān)鍵步驟之一。鏡頭通常由可移動(dòng)的光學(xué)子組件組成，需對(duì)這些組件進(jìn)行微米級(jí)的精確控制，以檢測(cè)對(duì)準(zhǔn)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(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)成像效果，其成像質(zhì)量難以直接測(cè)量，且鏡群組普遍具有高球差，這給測(cè)量帶來(lái)了很大的難度。

傳統(tǒng)的MTF傳函儀無(wú)法對(duì)未成像狀態(tài)的鏡群組進(jìn)行有效檢測(cè)；同時(shí)，鏡群組的品控過(guò)程中需要高動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量能力，而非準(zhǔn)直光束的檢測(cè)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(cè)量技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)鏡群組的精確品控并滿(mǎn)足:

- 確保鏡群組符合設(shè)計(jì)規(guī)范：在zui終組裝前能夠驗(yàn)證各個(gè)子組件是否符合光學(xué)設(shè)計(jì)，并支持與Zemax的模擬設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)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(shè)計(jì)通常伴隨較大的球差，需要特殊的檢測(cè)手段來(lái)保證性能。

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

3.2 Phasics針對(duì)安琴的解決方案

在光學(xué)檢測(cè)的高標(biāo)準(zhǔn)需求下，Phasics與安琴展開(kāi)了深入合作，匯集雙方的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出一款工業(yè)檢測(cè)平臺(tái)，能夠高精度測(cè)量光學(xué)鏡群組。這一光學(xué)平臺(tái)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(zhǔn)直光源，具備超高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量能力。

Phasics測(cè)量平臺(tái)

3.3 Phasics檢測(cè)平臺(tái)的主要特點(diǎn)

- 支持與Zemax設(shè)計(jì)的比較：可以與光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax的模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析，以確保實(shí)際組件符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

- 逆?zhèn)鞑ニ惴ǎ和ㄟ^(guò)逆?zhèn)鞑ニ惴z測(cè)和校正光學(xué)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(zhǔn)直光源：配備100毫米口徑的高質(zhì)量準(zhǔn)直光源，確保整個(gè)平臺(tái)的絕對(duì)精度優(yōu)于100nmPV。

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

- 用戶(hù)友好的操作界面：操作過(guò)程簡(jiǎn)單便捷，用戶(hù)友好，含計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)步驟，數(shù)據(jù)庫(kù)記錄檢測(cè)結(jié)果，對(duì)準(zhǔn)輔助工具，合格/不合格判定標(biāo)準(zhǔn)等。

Phasics的測(cè)量平臺(tái)

Phasics的測(cè)量平臺(tái)

四、Phasics助力多波長(zhǎng)激光干涉儀解決方案-哈爾濱某大學(xué)

2019年7月17-19號(hào)，上海昊量光電在哈爾濱某大學(xué)成功安裝了一套法國(guó)Phasics公司多波長(zhǎng)激光干涉儀系統(tǒng)，并經(jīng)過(guò)專(zhuān)家組驗(yàn)收通過(guò)。多波長(zhǎng)激光干涉儀在驗(yàn)收過(guò)程中通過(guò)了各項(xiàng)指標(biāo)要求檢測(cè)，獲得了客戶(hù)團(tuán)隊(duì)的高度評(píng)價(jià)以及肯定。多波長(zhǎng)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(wù)獲得了哈爾濱某大學(xué)驗(yàn)收?qǐng)F(tuán)隊(duì)的一致認(rèn)可。

五、波前傳感器系列介紹

5.1 Kaleo MTF 測(cè)量?jī)x/傳函儀

5.2 多波長(zhǎng)激光干涉儀

5.3 190-400nm紫外波前傳感器

5.4 400-1100nm可見(jiàn)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(guó)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(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類(lèi)激光器、光電調(diào)制器、光學(xué)測(cè)量設(shè)備、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國(guó)防、量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶(hù)提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)。