基于数字微镜器件的朗契检验

　　0 引言

　　近年来, 在光学工程图像检测中, 某些定性分析逐步发展到定量分析, 低精度测量上升到高精度测量。早年意大利的威斯科·朗契提出朗契检验, 但当时仅作为一种定性测量方法。1984 年, 日本的T.YATA!GAI 利用正弦朗契光栅, 根据几何光学原理和相位检测技术, 获得了非球面波像差的一维分布[1]。1988 年T.YATAGAI 用一般的方波朗契光栅, 根据朗契检验的物理光学原理, 用十步移相法得到了十幅朗契图, 获得了非球面镜波像差的二维分布[2]。1996 年林桂粉等在T.YATAGAI 工作的基础上, 通过Zernike 多项式拟合算法求得了光学系统的波像差[3]。1998 年钟金刚推导了定量分析朗契图的四步移相算法, 为朗契检测法定量进行像质评价提供了一种简单有效的方法[4]。以上这些实验大都采用步进电机分别沿X 轴或Y轴驱动光栅; 并且在测量X 轴方向的相位变化之后, 还要将光栅旋转90°, 再测Y 轴方向的数据, 测量中的平移和转动都将带来误差。文中提出将数字微镜器件( DMD) [5]连接到计算机上, 并由计算机在DMD 器件上生成一个正弦光栅, 放入朗契检验装置中, 通过程序让光栅平移或转动, 实现对朗契图较高精度的定量分析测量。

　　1 原理

　　1.1 用数字微镜器件光栅进行朗契检验的原理

　　实验所用关键器件DMD 可形容为一个半导体光开关系统。数万个微小方形16 μm×16 μm 镜片, 被平铺建造在一种特殊的铰链结构上。每个镜片可以开通或截断一个像素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜, +10°为“开”, - 10°为“关”。当镜片不工作时, 处于0°状态。DMD 含有两种光栅: 一种是由计算机生成的正弦光栅( 一维光栅) 。当在器件上生成正弦光栅后, 可通过程序让光栅沿侧向移动, 形成一个可平移的光栅。另一种是DMD 固有的, 是一种二维的正交光栅[6]。器件上的每两个相邻镜片之间有1 μm间隔, 这些间隔连在一起构成了二维的正交光栅。因此, DMD 对成像的影响, 可看作是DMD 固有的正交光栅与计算机在DMD 上所生成正弦光栅的叠加效应。由于正交光栅的频率为高频, 远大于朗契光栅频率, 且测试过程中只有正弦光栅的平移对干涉图光强产生调制, 而DMD 固有正交光栅并不移动, 不产调制, 故在以后的移相计算中不起作用。实验正是用这种计算机生成的正弦光栅进行朗契检验的。正弦光栅放在被测透镜焦平面附近, 入射的平行光束经过被测透镜, 会聚在光栅平面附近。因光栅的衍射作用而形成一种叠栅条纹性质的图案, 即朗契图, 它反映了被测透镜的面形质量。

　　1.2 条纹扫描检测技术

　　实验采用了同位相探测方法定量测量波面( 波像差函数) [7～9]。将朗契光栅放入光路中, 使栅线平行于Y轴, 具有正弦光栅的朗契图光强分布为: