[发明专利]一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法

说明书

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于光栅剪切干涉检测系统的微透镜定焦检测方法，可用于微透镜及其阵列元件的精密定焦测量。

背景技术

微透镜由于其自身的衍射效率高、工作波段宽、集成化和微型化程度高等优点，广泛应用于光准直、光信息处理、光计算和光互连等领域。随着微光学技术的提高和微细加工工艺的提高，微透镜向着微型化和阵列化的方向发展，其重要标志是微透镜阵列元件的出现。微透镜阵列是作为自适应光学系统中哈特曼-沙克波前传感器的核心部件，其定焦检测精度影响自适应光学系统的装配和波前检测精度。

由于微透镜及其阵列元件的应用广泛，其定焦检测方法也越来越多。传统的检测方法包括：光强计检测法、图像清晰度函数定焦方法、彩色CCD摄像法、光纤探针扫描法和干涉仪定焦法等。

光强计检测法是利用光强计在微透镜焦面附近移动，当光强计显示的光强值为极大值时即可认为该位置为微透镜的焦面位置。该方法进行微透镜定焦测量时操作简便易行，但受检测环境影响较大，精度不高。同时，对微透镜阵列元件进行定焦时，该方法只能确定微透镜阵列的平均焦距，不能满足微透镜阵列的定焦要求。

图像清晰度评价函数定焦方法是基于数字图像处理分析原理的一种定焦方法。根据清晰度评价函数的不同，主要分为图像梯度能量函数、图像拉普拉斯能量函数、灰度平均值函数和灰度方差函数等几类。灰度方差函数由于计算简便，应用较多常用于微透镜及其阵列元件的定焦测量：

G=1M1NΣxΣy[g(x,y)-μ]2]]>

μ=1M1NΣxΣyg(x,y)]]>

式中，g(x,y)为CCD探测器采集的数字图像各点处的灰度值，μ为数字图像灰度值的平均值，M，N为数字图像的行数和列数。从上式可知，采集的数字图像越清晰（图像锐度越大），相邻像素间的灰度差值越大，其灰度方差函数也越大。当CCD探测器沿光轴移动时，在微透镜焦面上，其图像最清晰，灰度方差函数取极大值。根据图像灰度方差函数的变化趋势即可完成微透镜及其阵列元件的定焦。该方法检测精度较高，一次采集图像可完成微透镜多个阵列的定焦测量；但在微透镜焦面附近采集图像数较多，数据计算量较大从而限制其检测效率且受CCD探测器暗电流等噪声影响，对大F数的微透镜及其阵列元件的检测精度焦低，不适于大F数的微透镜定焦测量。

彩色CCD摄像法是利用CCD光谱响应宽、稳定性好合操作简便的优点，利用CCD探测器直接检测微透镜成像光斑从而完成微透镜定焦测量。该方法不仅可以测量单色光的光斑，还可以测量复合光的光斑；但测量过程中，CCD探测器的各项性能指标对测量精度影响较大，CCD探测器的光电响应不均匀性和非线性将导致测量结果出现较大的偏差。