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Phasics波前传感器的应用案例（二）SID4在透镜/镜头检测方面的解决方案

更新时间：2024-12-09 点击次数：96

Phasics波前传感器以其横向四波剪切技术闻名，其推出的SID4系列波前传感器以高灵敏度、高分辨率、高重复性的特点更受市场青睐，以下为SID4在透镜/镜头检测方面的具体案例应用。

一、对复杂超表面进行精确表征的一种方法-超透镜

1.1 针对超表面测量Phasics具备的优势

传统的低分辨率技术很难准确测量超透镜的复杂特征，Phasics针对超透镜提出了高效的解决方案，并具备以下4点优势:

Phasics波前传感器的应用案例（二）SID4在透镜/镜头检测方面的解决方案

Phasics sC8搭载显微镜测量场景

1.亚波长空间尺度下的高精度测量：Phasics的波前传感器不仅具备优于2nm RMS的光程差测量精度，还采用了便捷的C端接口设计，能够直接连接显微镜，实现即插即用的快速安装和亚波长级别的空间分辨率。2.偏振无关性：Phasics的波前传感器支持全面的偏振测量，能够精确分析超表面在不同偏振状态下的光学响应，从而更好地评估器件的实际性能。3.多光谱测量能力：其产品能够在多个波长范围内进行高精度测量，确保超透镜在多光谱应用中的性能表现。4.环境稳定性：Phasics的传感器能够在不稳定的环境条件下保持精确测量，消除环境影响对测量结果干扰，确保数据可靠性。

1.2 Phasics超表面测量光路搭建

在下图1这个例子中，超表面的简单相位偏移得到了测量。Phasics的高精度波前传感器，能够检测到因生产误差所引起的局部相位缺陷，从而可以帮助制造工艺的评估和调整，保证超表面的生产质量。

图1: 基于四波横向剪切干涉法的超表面光学表征

法国CNRS CRHEA 实验室, S. Khadir - arXiv:2008.11369v1

下图2描述了对一个Pancharatnam-Berry (PB) 超透镜使用了两种不同的圆偏振态进行测量：右旋和左旋。根据设计，当改变偏振状态时，该超透镜会生该超透镜会生成正透镜或负透镜。

图2: 左侧显示波前曲率的相位图，右侧是其相应的曲线轮廓。中间相位图谱展示在滤掉波前曲率后残余的波前误差。

Phasics的QWLSI技术不会受到偏振的影响，因此在从右旋圆偏振切换到左旋圆偏振时，我们的设备仍然可以对波前进行详细表征。图2展示了波前曲率的变化。此外，可以通过滤掉主要的波前曲率来揭示残余波前误差，这些误差反映了更高空间频率的缺陷（见图2中间的左侧相位图）。

图3：左侧为在设计波长544nm下测量的PB超透镜，右侧为在633nm下测量的相同超透镜。在减去波前曲率后，显示出在设计波长下测量的残余误差较低。

在图3中，我们对同一个PB超透镜在两种不同的波长下进行了测量：544nm（其设计波长）和633nm。Phasics技术具有自消色差的特性，可以在传感器模型的灵敏度范围内对任意波长进行测量。

测量结果显示，当超透镜在其设计的波长下使用时，产生的高空间频率波前误差较少。

图4：PB金属透镜的测量。左侧为强度图像和总波前图，右侧通过滤波波前曲率（或泽尼克离焦项）揭示了其他光学像差。底部的柱状图显示了主要的低阶泽尼克像差。根据强度图和波前图生成了超透镜的点扩散函数（PSF），并计算了调制传递函数（MTF）（右下角的图像和图表）

在图4中，我们对一个PB金属透镜进行了测量。Phasics的SID4-HR波前传感器的高动态范围能够同时捕捉主要波前曲率，并通过像差过滤显示所需要的光学像差。

该样品表现出45度的散光作为主要的泽尼克光学像差。通过使用强度图和波前图，Phasics技术能够实时计算超透镜的点扩散函数（PSF）、二维光学传递函数（OTF）以及调制传递函数（MTF）。

通过精确测量波前并将其与制造样品的设计理论进行比较，Phasics能够帮助表征制造过程，确保实现预期的光学功能。此外，Phasics的计量解决方案能够通过经典的光学像差（如泽尼克系数）、调制传递函数（MTF）、点扩散函数（PSF）以及总波前误差图提供对超透镜的全面光学性能表征。重要的是，这些测量均能实时进行，且仅需单次测量即可完成。

二、Phasics助力自动驾驶车载镜头光学性能优化-Kaleo MTF测量仪/传函仪解决方案

2.1 车载光学超宽视场与高性能需求

基于视觉成像方向的自动驾驶领域，从倒车辅助到全自动驾驶，镜头不仅需要满足超宽视场（超过180°，如超广角镜头，鱼眼镜头等）和高数值孔径（F/2）的需求，还需在400-1100 nm光谱范围内实现高质量成像，以适应更小的传感器像素和复杂的图像处理链。

传统的光学测试方法面临诸多挑战：

- 低效的 MTF 传函仪：效率低下，更换视场位置要进行复杂且耗时的重新对准。并且普通传函仪不能提供MTF以外的光学缺陷信息，例如离焦、失准或非球面加工误差等，并将缺陷类型与MTF结果关联挂钩。

- 繁琐的传统干涉法：需要双程测量，并在切换视场位置时重新校准参考球体，无法实现测量自动化。

这些限制使得传统方法难以满足高效生产对精密测量的需求。

针对这一挑战，Phasics为雷诺（Renault）研发了一种专为车载镜头提供自动化且高精度的质量检测计量平台。该平台能够测量调制传递函数（MTF）、光学像差系数以及光辐射数据，并涵盖多个波长和视场点的测试。该算法还能够推导出光阑透过率，以精确考虑视场边缘出现的渐晕效应（vignetting effects）。整个平台实现了自动化，能够自动生成大量数据集，全面而详尽地描述镜头的光学性能。这些数据集随后通过仿真工具进一步处理，从场景到显示图像，成功帮助雷诺评估车载摄像头的性能。

Kaleo MTF 全自动测试工作站

2.2 Kaleo MTF测量仪/传函仪解决方案核心优势-雷诺汽车（Renault）

Phasics为雷诺提供的基于Kaleo MTF技术的解决方案通过四波横向剪切干涉仪（QWLSI）技术，革新传统测量方式。通过单程光路配置即可实现镜头的快速实时表征。该平台的测量方式非常简单并且满足:

高效测量：无需在不同视场点之间进行多次对准或复杂配置，快速完成光程差（OPD）和调制传递函数（MTF）的全视场测量。

精准校正：借助光线追踪算法，回溯波前至出瞳面，精准计算渐晕效应和孔径传输。

广谱兼容：适用于多波长环境，自动切换波长且无需额外校准，覆盖从可见光到近红外的应用需求。

通过Kaleo MTF的自动化操作，平台在2.5秒内即可完成一个视场点的数据采集，大幅提升产线检测的效率和一致性。同时，系统的测量误差在整个视场内保持在1%以下，为汽车镜头性能评价提供了可靠的数据支撑。

我们利用该计量平台对两款来自不同厂商的汽车鱼眼镜头进行了测试，测试结果如下图。

镜头#1 的 MTF 和低阶像差性能表现

镜头#2的 MTF 和低阶像差性能表现

分析显示，尽管两款镜头在整体光学质量上表现相近，但在无渐晕视场范围方面存在显著差异，该测试为镜头性能优化提供了可靠的依据。且该测试平台具有很高的效率，每个视场点的测量时间仅为2.5秒，同时在自动化数据采集流程的支持下，具备优异的重复性和可靠性。

2.3 Kaleo MTF-技术优势

Kaleo MTF可测试光谱范围覆盖紫外,可见光,近红外以及短波红外，且支持:

- 超宽视场（可达 ±90°）和高主光线角（CRA 高达 50°）的镜头测试(超广角镜头，鱼眼镜头等)

- 单次拍摄即可实现高精度MTF 和波前误差（TWE）的同步测量

- 满足在轴/离轴情况下有限/无限共轭光学配置

- 该系统自动化，可快速完成大批量镜头的完整视场测量，测量精度符合ISO 5725标准。

Kaleo MTF平台的设计具有高度的适应性，可进一步扩展以满足更大口径镜头的完整MTF表征需求，从而实现快速、高精度的测量。通过引入适用于紫外（UV）及红外（SWIR、MWIR、LWIR）波段的波前传感器，该平台可满足多光谱范围的光学系统测试需求，为更复杂的光学应用场景提供灵活且可靠的解决方案。

三、Phasics变焦电影镜头/手机镜头的精准波前测量

3.1 Phasics变焦电影镜头/手机镜头的精准波前测量-Angénieux(安琴)

在电影行业，镜头制造商如Angénieux（安琴）、Arri（阿莱）、Cooke（库克）和Zeiss（蔡司）为许多经典电影作品得以呈现视觉效果。

在电影和手机镜头的生产过程中，光学子组件（即镜群组）的测量和校准是确保成像质量的关键步骤之一。镜头通常由可移动的光学子组件组成，需对这些组件进行微米级的精确控制，以检测对准偏差、抛光误差或材料中微小的折射率不均匀性。此外，由于镜群组在未装配时无法实现成像效果，其成像质量难以直接测量，且镜群组普遍具有高球差，这给测量带来了很大的难度。

传统的MTF传函仪无法对未成像状态的镜群组进行有效检测；同时，镜群组的品控过程中需要高动态范围的测量能力，而非准直光束的检测也超出了普通Shack-Hartmann波前传感器的能力。因此，迫切需要一种合适的波前测量技术，以实现镜群组的精确品控并满足:

- 确保镜群组符合设计规范：在zui终组装前能够验证各个子组件是否符合光学设计，并支持与Zemax的模拟设计进行对比。

- 适用于高数值孔径系统（F值低于F/2）且具有高球差（>45 µm PV）：快速成像系统中的镜头设计通常伴随较大的球差，需要特殊的检测手段来保证性能。

- 提高生产率：在组装变焦镜头之前识别出有缺陷的组件，确保不合格组件不进入下一步流程，从而优化生产效率。

3.2 Phasics针对安琴的解决方案

在光学检测的高标准需求下，Phasics与安琴展开了深入合作，汇集双方的专业技术，成功开发出一款工业检测平台，能够高精度测量光学镜群组。这一光学平台搭载了基于四波横向剪切技术的SID4-HR波前传感器以及准直光源，具备超高动态范围测量能力。

Phasics测量平台

3.3 Phasics检测平台的主要特点

- 支持与Zemax设计的比较：可以与光学设计软件Zemax的模拟结果进行比较分析，以确保实际组件符合设计标准。

- 逆传播算法：通过逆传播算法检测和校正光学误差，有效提高镜群组的成像质量。

- 高质量的100 毫米口径准直光源：配备100毫米口径的高质量准直光源，确保整个平台的绝对精度优于100nmPV。

- 高动态范围下的高球差处理能力：可处理球差高达45 µm PV的情况，并具备在此高动态范围下的50 nm PV的球差测量精度，满足大球差镜群组的检测要求。

- 用户友好的操作界面：操作过程简单便捷，用户友好，含计算机辅助检测步骤，数据库记录检测结果，对准辅助工具，合格/不合格判定标准等。

Phasics的测量平台

四、Phasics助力多波长激光干涉仪解决方案-哈尔滨某大学

2019年7月17-19号，上海昊量光电在哈尔滨某大学成功安装了一套法国Phasics公司多波长激光干涉仪系统，并经过专家组验收通过。多波长激光干涉仪在验收过程中通过了各项指标要求检测，获得了客户团队的高度评价以及肯定。多波长激光干涉仪的品质以及昊量光电优质的技术服务获得了哈尔滨某大学验收团队的一致认可。

五、波前传感器系列介绍

5.1 Kaleo MTF 测量仪/传函仪