CN120213237A 一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置及方法

(19)国家知识产权局地址310058浙江省杭州市西湖区余杭塘(72)发明人胡亮任政钢王静付新苏芮司33200一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测本发明公开了一种基于背景纹影法的液体一参考波前光束生成组件中出射的参考波前光行液体透镜波像差检测，克服了传统夏克-哈特曼波前检测技术需要使用微透镜阵列将待测波21.一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置，其特征在于，所述液体透镜波前检测装置包括第一参考波前光束生成组件、双侧远心透镜(3)和相机(5),第一参考波前光束生成组件、双侧远心透镜(3)和相机(5)沿光轴依次间隔设置，待测液体透镜(2)放置在第一参考波前光束生成组件和双侧远心透镜(3)之间，第一参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束入射至待测液体透镜(2),经待测液体透镜(2)的透射后入射至双侧远心透镜(3),再经双侧远心透镜(3)的透射后被相机(5)采集。2.根据权利要求1所述的一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置，其特征在于，所述待测液体透镜(2)包括流体(21)、透明玻璃盖板(22)和透镜壳(23),透镜壳(23)中开设有沿光轴方向设置的通槽，通槽两端的透镜壳(23)中分别安装有对应的透明玻璃盖板(22),使得透镜壳(23)为密封结构；两块透明玻璃盖板(22)之间的透镜壳(23)内形成一个流体腔，透镜壳(23)中还开设有注水口和排水口，注水口和排水口与流体腔连通，流体腔内填充有流体。3.根据权利要求1所述的一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置，其特征在于，所述液体透镜波前检测装置还包括扰动校正组件，所述扰动校正组件包括第二参考波前光束生成组件、扰动校正液体透镜、反射镜(7)和分光棱镜(8);第二参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束的波长与第一参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束的波长不同；第二参考波前光束生成组件设置在第一参考波前光束生成组件的侧方，第二参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束入射至扰动校正液体透镜，扰动校正液体透镜的结构和流体类型与待测液体透镜(2)的相同，扰动校正液体透镜中的流体为静止状态，经扰动校正液体透镜透射后出射的光束入射至反射镜(7),分光棱镜(8)设置在待测液体透镜(2)和双侧远心透镜(3)之间，经待测液体透镜(2)透射的光束入射至分光棱镜(8)发生透射，经反射镜(7)反射的光束入射至分光棱镜(8)发生发射，经分光棱镜(8)透射和反射的光束均入射至双侧远心透镜(3)中；第一参考波前光束生成组件、待测液体透镜(2)和分光棱镜(8)之间形成第一光路，第二参考波前光束生成组件、扰动校正液体透镜、反射镜(7)和分光棱镜(8)之间形成第二光路，第一光路和第二光路的光程相同。4.根据权利要求1所述的一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置，其特征在于，所述第一参考波前光束生成组件包括背景图案板(1)和LED照明系统(4),所述背景图案板(1)为散布有随机点阵的透明屏；所述LED照明系统(4)用于产生平行光束。5.根据权利要求1所述的一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置，其特征在于，所述双侧远心透镜(3)包括沿光轴依次间隔布置的第一正透镜(31)、第二正透镜(33),光阑(32)位于第一正透镜(31)、第二正透镜(33)之间，光阑(32)位于第一正透镜(31)的焦点处以及第二正透镜(33)的焦点处。6.一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1:将待测液体透镜(2)安装在权利要求1所述的液体透镜波前检测装置中；步骤2:利用相机(5)依次采集待测液体透镜(2)在无扰动状态下的参考图像Iref以及在步骤3:对获取的参考图像Ire与动态图像Idisturbea处理后，获得背景位移(△x’,△y’);步骤4:基于背景位移(△x',△y'),利用几何光学中费马原理和马吕斯定律建立背景位移(△x,△y’)、光线偏转角(,ε)与波前斜率之间的关系，从而计算出波前斜率分布；3步骤5:对波前斜率分布进行积分重构后，获得待测液体透镜(2)的波前分布及波像差。7.根据权利要求6所述的一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测方法，其特征在于，8.根据权利要求6所述的一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测方法，其特征在于，所述步骤5中，采用梯形积分算法或迭代重构算法对波前斜率分布进行积分重构。9.一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1:将待测液体透镜(2)安装在权利要求3所述的液体透镜波前检测装置中；步骤2:相机(5)在双帧模式下依次记录待测液体透镜(2)在无扰动状态下的参考图像Iref和扰动校正液体透镜的第一校正参考图像；然后，相机(5)在双帧模式下依次记录待测液体透镜(2)在温度梯度作用下产生扰动的动态图像Idisturbe和扰动校正液体透镜的第二校正参考图像；步骤3:对获取的参考图像Iref与动态图像Idisturbea处理后，获得原始背景位移(△x',△y’);以及对第一校正参考图像和第二校正参考图像处理后，获得扰动位移；将原始背景位步骤4:基于校正后的背景位移，利用几何光学中费马原理和马吕斯定律建立背景位移步骤5:对波前斜率分布进行积分重构后，获得待测液体透镜(2)的波前分布及波像差。10.根据权利要求9所述的一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测方法，其特征在4技术领域[0001]本发明涉及了光学测量领域的一种透镜波前检测装置及方法，具体涉及了一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置及方法。背景技术[0002]液体透镜是一种利用液体构成的无固体机械结构光学元件，已广泛应用于浸没式光刻、显微成像及机器视觉等成像系统中。由于液体透镜内部流体的折射率分布受到密度、温度、压力及流动等多种因素的影响，容易引起波前动态变化，从而降低光学系统的成像质量。因此，精确、实时地检测液体透镜的波像差对于确保其在各种工作条件下的性能至关重要。[0003]现有的波前检测技术包括传统干涉法、哈特曼法、剪切干涉法和点衍射法。这些方法虽然在物镜波像差检测中已取得了较好效果，但仍面临一些挑战。干涉法通常需要参考光路，适用于离线检测；哈特曼法和剪切干涉法能进行在线检测，但仅能测得波前斜率，需要通过复杂的计算过程才能重建波前；点衍射法则面临光通量降低和精度下降的问题。对于高分辨率光刻或显微成像系统，当前主流的检测方法是相位测量干涉仪(PhaseMeasuringInterferometer,PMI),例如：Nikon基于夏克-哈特曼传感器提出的P-PMI技术、Canon基于线衍射原理的波像差原位检测干涉仪，以及ASML基于剪切干涉原理的ILIAS横向剪切干涉技术。但是，液体透镜作为最后一块物镜直接与光刻胶接触，无法像固体镜头一样进行波像差补偿，所以需要一种液体透镜波像差的检测方法。[0004]背景纹影法(BackgroundOrientedSchlierenTechnique,BOS)是一种较新颖的流动检测技术，于2000年左右由Meier等人提出。BOS技术可以克服自发光对传统纹影技术照度变化带来的困难，同时使用PIV或光流算法，省去了传统纹影技术复杂且昂贵的实验装置。BOS技术首先运用于定量测量气动光学中的密度场，之后扩展至流体温度测量、自由表面测量以及气动光学波前测量等领域。BOS技术装置组成简单，测量灵敏度和精度主要取决于光路设计、相机分辨率、背景图案设计以及背景位移算法。[0005]目前已有的光学系统波像差检测方法包括横向剪切干涉技术(CN102368139A、体透镜的折射率分布存在时空不均匀性。因此，有必要提出一种针对液体透镜的波前检测装置及方法。发明内容[0006]为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置及方法。[0007]本发明的第一个目的在于提供一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置。该装置可以实现对不可压缩流场因温度引起的折射率不均进行测量，还能降低系统复杂性，无需使用传统干涉方法或微透镜阵列，避免使用多个光栅或因微透镜阵列引入系统误差。5使用双侧远心背景纹影克服传统BOS系统空间分辨率和灵敏度的矛盾，使用高速相机作为图像接受装置确保时间分辨率。[0008]本发明的第二个目的在于提供一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测方法。该方法可以通过测得的背景位移获得波前斜率，进而重构出该动态流场的波前分布，实现实时波前检测。[0009]本发明所采用的技术方案如下：一、一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置所述液体透镜波前检测装置包括第一参考波前光束生成组件、双侧远心透镜和相机，第一参考波前光束生成组件、双侧远心透镜和相机沿光轴依次间隔设置，待测液体透镜放置在第一参考波前光束生成组件和双侧远心透镜之间，第一参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束入射至待测液体透镜，经待测液体透镜的透射后入射至双侧远心透镜，再经双侧远心透镜的透射后被相机采集。[0010]所述待测液体透镜包括流体、透明玻璃盖板和透镜壳，透镜壳中开设有沿光轴方向设置的通槽，通槽两端的透镜壳中分别安装有对应的透明玻璃盖板，使得透镜壳为密封结构；两块透明玻璃盖板之间的透镜壳内形成一个流体腔，透镜壳中还开设有注水口和排水口，注水口和排水口与流体腔连通，流体腔内填充有流体。[0011]装置还包括扰动校正组件，所述扰动校正组件包括第二参考波前光束生成组件、扰动校正液体透镜、反射镜和分光棱镜；第二参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束的波长与第一参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束的波长不同；第二参考波前光束生成组件设置在第一参考波前光束生成组件的侧方，第二参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束入射至扰动校正液体透镜，扰动校正液体透镜的结构和流体类型与待测液体透镜的相同，扰动校正液体透镜中的流体为静止状态，经扰动校正液体透镜透射后出射的光束入射至反射镜，分光棱镜设置在待测液体透镜和双侧远心透镜之间，经待测液体透镜透射的光束入射至分光棱镜发生透射，经反射镜反射的光束入射至分光棱镜发生发射，经分光棱镜透射和反射的光束均入射至双侧远心透镜中；第一参考波前光束生成组件、待测液体透镜和分光棱镜之间形成第一光路，第二参考波前光束生成组件、扰动校正液体透镜、反射镜和分光棱镜之间形成第二光路，第一光路和第二光路的光程相同。[0012]所述第一参考波前光束生成组件包括背景图案板和LED照明系统，所述背景图案板为散布有随机点阵的透明屏；所述LED照明系统用于产生平行光束。[0013]所述双侧远心透镜包括沿光轴依次间隔布置的第一正透镜、第二正透镜，光阑位于第一正透镜、第二正透镜之间，光阑位于第一正透镜的焦点处以及第二正透镜的焦点处。[0014]二、一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测方法步骤1:将待测液体透镜安装在所述的液体透镜波前检测装置中；步骤2:利用相机依次采集待测液体透镜在无扰动状态下的参考图像Ire以及在温步骤3:对获取的参考图像Iref与动态图像Idisturbe处理后，获得背景位移(△x',△y');步骤4:基于背景位移(△x',△y’),利用几何光学中费马原理和马吕斯定律建立背景位移(△x,△y’)、光线偏转角(,ε)与波前斜率之间的关系，从而计算出波前斜率分6步骤5:对波前斜率分布进行积分重构后，获得待测液体透镜的波前分布及波像[0015]所述步骤3中，采用互相关或光流算法对获取的参考图像I。与动态图像Iisturbe进行处理。[0016]所述步骤5中，采用梯形积分算法或迭代重构算法对波前斜率分布进行积分重构。[0017]三、一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测方法步骤1:将待测液体透镜安装在所述的液体透镜波前检测装置中；步骤2:相机在双帧模式下依次记录待测液体透镜在无扰动状态下的参考图像Iref和扰动校正液体透镜的第一校正参考图像；然后，相机在双帧模式下依次记录待测液体透镜在温度梯度作用下产生扰动的动态图像Idisturbea和扰动校正液体透镜的第二校正参考图步骤3:对获取的参考图像Iref与动态图像Idisturbea处理后，获得原始背景位移(△x',△y’);以及对第一校正参考图像和第二校正参考图像处理后，获得扰动位移；将原始背景位移(△x',△y')与扰动位移作差后，获得校正后的背景位移；步骤4:基于校正后的背景位移，利用几何光学中费马原理和马吕斯定律建立背景位移(△x’,△y’)、光线偏转角(,ε,)与波前斜率之间的关系，从而计算出波前斜率分布；步骤5:对波前斜率分布进行积分重构后，获得待测液体透镜的波前分布及波像[0018]本发明应用背景纹影法对不可压缩液体透镜的波前梯度进行定量测量，进而重构波像差，尤其适用于实时定量测量因液体透镜内部温度、密度等因素引起的波像差动态变[0019]本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测装置。该装置通过背景纹影法代替微透镜阵列的测量方法，可以得到平行光波经过待测液体透镜后波前斜率，进而重构整个波前分布，克服了微透镜阵列本身空间分辨率不足以及占空比高的缺点。[0020]本发明使用背景纹影法，减小系统复杂性，降低了采用多个光栅或微透镜阵列引入较多系统误差的缺点。[0021]本发明提出的装置和方法既能够测量液体透镜的波像差，又能同时获得液体透镜内部流场的流动信息，从而增强对液体透镜光学质量的理解与控制。附图说明[0022]图1为本发明中液体透镜波前检测装置的原理图。[0023]图2为本发明中液体透镜的结构示意图，其中(a)为液体透镜的侧面剖视图，(b)为液体透镜的端面剖视图。[0024]图3为本发明中背景纹影图案位移示意图。[0025]图4为实施例1中液体透镜波前检测装置的结构示意图。[0026]图5为实施例2中液体透镜波前检测装置的结构示意图。[0027]图6为实施例1中液体透镜波前检测方法的流程图。7具体实施方式[0029]下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述。[0030]实施例1[0031]如图1和图4所示，液体透镜波前检测装置包括第一参考波前光束生成组件、双侧远心透镜3和高速相机5,第一参考波前光束生成组件、双侧远心透镜3和高速相机5沿光轴依次间隔设置，待测液体透镜2放置在第一参考波前光束生成组件和双侧远心透镜3之间，第一参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束入射至待测液体透镜2,经待测液体透镜2的透射后入射至双侧远心透镜3,再经双侧远心透镜3的透射后被高速相机5采集，高速相机5与数据处理器6相连。双侧远心透镜3和相机5同光轴设置，入射至双侧远心透镜3的光束可与光轴存在夹角。[0032]双侧远心透镜3包括沿光轴依次间隔布置的第一正透镜31、第二正透镜33,光阑32位于第一正透镜31、第二正透镜33之间，光阑32位于第一正透镜31的焦点处以及第二正透[0033]如图4所示，液体透镜波前检测装置垂直设置，待测液体透镜2水平设置。参考波前光束生成组件与双侧远心透镜3以及高速相机5同光轴设置，照明系统发出的光线近似平行的入射到背景图案板1上，双侧远心透镜3和高速相机5保证背景图像近似平行入射到成像平面上，双侧远心透镜3和高速相机5组成的组件的放大倍率与双侧远心透镜中两个薄透镜的焦距有关，与纹影对象和背景以及相机的相对距离无关。[0034]图1中，Z_D表示待测流场和背景图案板之间的距离；Z_A表示待测流场和第一正透镜之间的距离；Z_i表示第二正透镜和相机成像平面之间的距离；△y'表示背景图案板处的背景图案因光线偏折产生的在y方向的位移；△y表示背景图案板处图案在y方向的位移对应在相机成像平面上的位移。[0035]如图2的(a)和图2的(b)所示，待测液体透镜2包括流体21、透明玻璃盖板22和透镜壳23,透镜壳23为不透光材料制备获得的，透镜壳23中开设有沿光轴方向设置的通槽，通槽两端的透镜壳23中分别安装有对应的透明玻璃盖板22,使得透镜壳23为密封结构；两块透明玻璃盖板22之间的透镜壳23内形成一个流体腔，透镜壳23中还开设有注水口和排水口，注水口和排水口与流体腔连通，流体腔内填充有流体，流体21通过注水口和出水口不断更新，通过两个注水口可以形成具有温度梯度的流场。流体为超纯水。[0036]第一参考波前光束生成组件包括背景图案板1和LED照明系统4,背景图案板1为散布有随机点阵的透明屏，如图3所示，其点阵特征经过液体透镜后产生可用于波前重构的位移信息。背景图案散斑在相机5感光元件上的成像尺寸应为3~5个像素大小，散斑间距应大于散斑直径无混叠，散斑边缘灰度梯度清晰，背景图案1通过液体透镜2后产生畸变，背景图案产生位移(△x',△y),所有背景位移向量组成位移向量场。[0037]LED照明系统4用于产生平行光束，LED照明系统4包括光源和平行光管。光源中出射的具有特定波长的光束经平行光管后变为平面波，穿过背景图案板1后获得包含背景图8前与y轴的夹角等于光线通过液体透镜后的偏转角ε,采用梯形积分算法或迭代算法获取步骤1:将待测液体透镜2安装在液体透镜波前检测装置中，即搭建液体透镜波前步骤2:利用高速相机5依次采集待测液体透镜2在无扰动状态下的参考图像Iref待测液体透镜2为具有温度梯度的流场);[0040]步骤4:基于背景位移(△x,△y’),利用几何光学中费马原理和马吕斯定律建立以及光线偏转角(,e)与波前斜率的关系：9'指平均光程，所以光波的相位畸变△Φ为：其中，λ表示光线的波长。[0042]步骤5:采用梯形积分算法对波前斜率分布进行积分重构后，获得待测液体透镜2平均，获得当前液体透镜的波前分布。体透镜2的透射后入射至双侧远心透镜3,再经双侧远心透镜3的透射后被高速相机5采集，镜、反射镜7和分光棱镜8;第二参考波前光束生成组件中出射的参考波前光束的波长与第的参考光束经液体透镜后保持无畸变),经扰动校正液体透镜透射后出射的光束入射至反射镜7,分光棱镜8设置在待测液体透镜2和双侧远心透镜3之间并且与待测液体透镜2和双7反射的光束入射至分光棱镜8发生发射，经分光棱镜8透射和反射的光束均入射至双侧远第一光路和第二光路的光程相同。因此，产生的背景位移可以视为光路沿程扰动、高速相机前检测精度。端的透镜壳23中分别安装有对应的透明玻璃盖板22,使得透镜壳23为密封结构；两块透明玻璃盖板22之间的透镜壳23内形成一个流体腔，透镜壳23中还开设有注水口和排水口，注水口和排水口与流体腔连通，流体腔内填充有流体，流体可形成具有温度梯度的动态流场。流体为超纯水。[0047]第一参考波前光束生成组件和第二参考波前光束生成组件中的背景图案板1相的蓝光LED41;第而二参考波前光束生成组件的光源为波长660nm的红光LED42.为了更好的反映因为系统误差引起的虚假位移，两条光路的背景图案拍摄需要保证间隔时间极短，利用高速相机5的双帧模式记录，首先在第一光路进行曝光，曝光时间大约20μs,第一光路结束后间隔约10μs对第二光路进行曝光，曝光时间同样约20us。[0048]本发明提出了一种基于背景纹影法的液体透镜波前检测方法，方法包括以下步步骤1:将待测液体透镜2安装在液体透镜波前检测装置中；步骤2:高速相机5在双帧模式下依次记录待测液体透镜2在无扰动状态下的参考图像Iref(即待测液体透镜2内的流体为静止状态，待测液体透镜2为静止流场)和扰动校正液体透镜的第一校正参考图像；然后，高速相机5在双帧模式下依次记录待测液体透镜2在温度梯度作用下产生扰动的动态图像Idisturbed(即待测液体透镜2内的流体为具有温度梯度的流动状态，待测液体透镜2为具有温度梯度的流场)和扰动校正液体透镜的第二校正参考图像；步骤3:采用光流算法对获取的参考图像Iref与动态图像Idisturbe处理后，获得原始背景位移(△x',△y’);以及对第一校正参考图像和第二校正参考图像处理后，获得扰动位移；将原始背景位移(△x',△y')与扰动位移作差后，获得校正后的背景位移；互相关或光流算法中，通过选择适当的观察窗口大小，将处理后的参考图像与一系列动态图像进行卷积得到连续的背景位移。[0049]步骤4:基于校正后的背景位移，利用几何光学中费马原理和马吕斯定律建立背景位移(△x’,△y’)、光线偏转角(,ε,)与波前斜率之间的关系，从而计算出波前斜率分布；步骤5:采用迭代重构算法对波前斜率分布进行积分重构后，获得待测液体透镜2的波前分布