Phasics波前傳感器以其獨(dú)有的橫向四波剪切技術(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)更受市場青睞,以下為SID4在透鏡/鏡頭檢測方面的具體案例應(yīng)用。
一、對復(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(zhǔn)確測量超透鏡的復(fù)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(diǎn)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(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(xué)響應(yīng),從而更好地評估器件的實(shí)際性能。3.多光譜測量能力:其產(chǎn)品能夠在多個(gè)波長范圍內(nèi)進(jìn)行高精度測量,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。
1.2Phasics超表面測量光路搭建

在下圖1這個(gè)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(xué)表征法國CNRS CRHEA 實(shí)驗(yàn)室,S. Khadir- arXiv:2008.11369v1
下圖2描述了對一個(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),該超透鏡會生該超透鏡會生成正透鏡或負(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(shí),我們的設(shè)備仍然可以對波前進(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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)波長下測量的殘余誤差較低。
在圖3中,我們對同一個(gè)PB超透鏡在兩種不同的波長下進(jìn)行了測量:544nm(其設(shè)計(jì)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(jìn)行測量。
測量結(jié)果顯示,當(dāng)超透鏡在其設(shè)計(jì)的波長下使用時(shí),產(chǎn)生的高空間頻率波前誤差較少。
圖4:PB金屬透鏡的測量。左側(cè)為強(qiáng)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(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,我們對一個(gè)PB金屬透鏡進(jìn)行了測量。Phasics的SID4-HR波前傳感器的高動態(tài)范圍能夠同時(shí)捕捉主要波前曲率,并通過像差過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)。
通過精確測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超透鏡的全面光學(xué)性能表征。重要的是,這些測量均能實(shí)時(shí)進(jìn)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(xué)性能優(yōu)化-Kaleo MTF測量儀/傳函儀解決方案
2.1 車載光學(xué)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(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(jìn)行復(fù)雜且耗時(shí)的重新對準(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(shí)重新校準(zhǔn)參考球體,無法實(shí)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(jì)量平臺。該平臺能夠測量調(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)波長和視場點(diǎn)的測試。該算法還能夠推導(dǎo)出光闌透過率,以精確考慮視場邊緣出現(xiàn)的漸暈效應(yīng)(vignetting effects)。整個(gè)平臺實(shí)現(xiàn)了完全自動化,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(xué)性能。這些數(shù)據(jù)集隨后通過仿真工具進(jìn)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),徹底革新傳統(tǒng)測量方式。通過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(diǎn)之間進(jìn)行多次對準(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)的全視場測量。
精準(zhǔn)校正:借助光線追蹤算法,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:適用于多波長環(huán)境,自動切換波長且無需額外校準(zhǔn),覆蓋從可見光到近紅外的應(yīng)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(gè)視場點(diǎn)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(shí),系統(tǒng)的測量誤差在整個(gè)視場內(nèi)保持在1%以下,為汽車鏡頭性能評價(jià)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。
我們利用該計(jì)量平臺對兩款來自不同廠商的汽車魚眼鏡頭進(jìn)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(xué)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)。且該測試平臺具有極高的效率,每個(gè)視場點(diǎn)的測量時(shí)間僅為2.5秒,同時(shí)在自動化數(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
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(最高可達(dá) ±90°)和高主光線角(CRA 高達(dá) 50°)的鏡頭測試(超廣角鏡頭,魚眼鏡頭等)
單次拍攝即可實(shí)現(xiàn)高精度MTF和波前誤差(TWE)的同步測量
滿足在軸/離軸情況下有限/無限共軛光學(xué)配置
該系統(tǒng)完全自動化,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(biāo)準(zhǔn)。
Kaleo MTF平臺的設(shè)計(jì)具有高度的適應(yīng)性,可進(jìn)一步擴(kuò)展以滿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(xué)系統(tǒng)測試需求,為更復(fù)雜的光學(xué)應(yīng)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(jī)鏡頭的精準(zhǔn)波前測量
3.1 Phasics變焦電影鏡頭/手機(jī)鏡頭的精準(zhǔn)波前測量-Angénieux(安琴)
在電影行業(yè),頂級鏡頭制造商如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)卓越的視覺效果。
在電影和手機(jī)鏡頭的生產(chǎn)過程中,光學(xué)子組件(即鏡群組)的測量和校準(zhǔn)是確保成像質(zhì)量的關(guān)鍵步驟之一。鏡頭通常由可移動的光學(xué)子組件組成,需對這些組件進(jìn)行微米級的精確控制,以檢測對準(zhǔn)偏差、拋光誤差或材料中微小的折射率不均勻性。此外,由于鏡群組在未完全裝配時(shí)無法實(shí)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(jìn)行有效檢測;同時(shí),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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)鏡群組的精確品控并滿足:
確保鏡群組符合設(shè)計(jì)規(guī)范:在最終組裝前能夠驗(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(jìn)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(xué)檢測的高標(biāo)準(zhǔn)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)出一款獨(dú)特的工業(yè)檢測平臺,能夠高精度測量光學(xué)鏡群組。這一光學(xué)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(zhǔn)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(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^逆?zhèn)鞑ニ惴z測和校正光學(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(dá)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(jì)算機(jī)輔助檢測步驟,數(shù)據(jù)庫記錄檢測結(jié)果,對準(zhǔn)輔助工具,合格/不合格判定標(biāo)準(zhǔn)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(xué)
2019年7月17-19號,上海昊量光電在哈爾濱某大學(xué)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(yàn)收通過。多波長激光干涉儀在驗(yàn)收過程中通過了各項(xiàng)指標(biāo)要求檢測,獲得了客戶團(tuán)隊(duì)的高度評價(jià)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(wù)獲得了哈爾濱某大學(xué)驗(yàn)收團(tuán)隊(duì)的一致認(rèn)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
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