博碩士論文 962206031 詳細資訊




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姓名 廖本益(Pen-i Liao)  查詢紙本館藏   畢業系所 光電科學與工程學系
論文名稱 全像場同時取像像差量測
(Simultaneous Measurement of Full-Field Aberration)
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摘要(中) 在光學元件檢測的方法中,最常見的方法為雙波前干涉量測方法及焦平面位置上橫向像差的量測方法,目前技術所產生之量測結果分析都是單一視場的瞳孔相差量測,多重離軸像場瞳孔相差必須耗時一一量測。
本論文是以一種類似Ronchi test的量測方式,由光柵-狹縫量測法作為實驗的基礎,所發展出的全場像差量測裝置。實驗中以LCD陣列作為產生控制光柵輸出的裝置,並且配合陣列狹縫和陣列透鏡的調制,一次擷取出待測元件全視場像差分佈的情形,接著利用相移量測法,重建出各個視場的波前,並以數學函數擬合所有的離軸像差,得到全像場的相差描述函數:double Zernike coefficient。
這將是光學元件檢測中,第一次將光學元件全像場同時取像並將其量化,我們預期能利用此光學檢測方法配合double Zernike coefficient分析的數據,應用在光機組裝時的多重光學元件對位校正。
摘要(英) The geometrical test and the optical interferometry are popularly used to test on-axis optical systems or elements and yields quantified measurement. To measure off-axis aberration one can have a tested optical system place on the rotating nodal slide and measure off axis aberration field by field by rotating the slide.
Our research is about the measurement of full-field aberration based on optical testing method similar to Ronchi test, named Grating-Slit test. The experiment used the liquid crystal display array to control the brightness of object and reach the function of grating. By using the slit- lens array, we can capture the simultaneous measurement of full-field aberration. Then through the phase shifting method, we can reconstruct the wavefront of each field captured. After that, the double Zernike polynomial is used to fit and quantify the full-field aberration.
This experiment will be the first time gets the quantification of full-field aberration simultaneously. We expect that we can use this testing method to correct the opto-mechanical mis-alignment by double Zernike coefficient.
關鍵字(中) ★ 澤爾尼克多項式 關鍵字(英) ★ zernike polynomial
論文目次 摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 歷史回顧 3
第二章 光柵狹縫量測法 5
2-1 像差的介紹 5
2-2 波前像差與橫向像差的關係 7
2-3 光柵-狹縫法量測法 9
2-3-1 朗奇量測法(Ronchi test) 9
2-3-2 光柵-狹縫量測法(grating-slit test) 11
2-4 相位移量測方法 14
第三章 Double Zernike Polynomial擬合 16
3-1 Zernike polynomial展開 16
3-1-1 Single Zernike polynomial展開 17
3-1-2 Double Zernike polynomial展開 18
3-2 各視場SZP波前像差圖形模擬 19
3-3 Double Zernike polynomial擬合 21
第四章 全場像差量測實驗 23
4-1 實驗硬體裝置 23
4-1-1 實驗架構 23
4-1-2 顯示單元及調制單元 25
4-1-3 鏡座轉接調整環 29
4-1-4 待測元件和陣列透鏡的選擇 30
4-1-5 CCD規格介紹 31
4-1-6 快門控制系統 33
4-2 實驗軟體介面 35
4-3 多場像差量測實驗步驟 37
4-3-1 LCD顯示與CCD擷取非線性曲線校正 39
4-3-2 光路位置校正 45
4-3-3 影像擷取及四步相移 49
4-3-4 相位解纏繞 52
4-4 實驗結果 56
4-5 實驗誤差來源分析 59
第五章 結論 61
5-1 實驗總結 61
5-2 未來展望 61
參考文獻 86
附錄 A Code V code 63
附錄 B Matlab 程式碼 65
附錄B.1 Single Zernike Polynomial輸出 65
附錄B.2 Single Zernike Polynomial 係數擬合 67
附錄B.3 Double Zernike Polynomial 係數模擬輸出 68
附錄C 軟體操作 70
附錄C.1 光柵輸出設定 70
附錄C.2 待測透鏡表面資料輸入 74
附錄C.3 多像場定位 77
附錄C.4 多像場相位解纏繞 79
附錄C.5 多像場波前重建 80
附錄C.6 多像場波前和DZP函數擬合後誤差值 82
附錄C.7 主視窗功能介紹 83
圖目錄
圖2 1 橫向像差二維幾何圖示 7
圖2-2 朗奇量測法的簡易幾何圖示 9
圖2-3 光柵-狹縫量測法簡易圖示 11
圖2-4 多場像差量測簡易幾何圖形 13
圖3-1 Double Zernike Polynomial座標 17
圖3-2 光線入射光學元件時二維光路圖, 20
圖3-3 SZP全場波前像差圖形模擬 21
圖3-4 利用DZP函數模擬多場像差圖形 22
圖3-5 為圖3-3和圖3-2兩圖形相減的誤差值圖形 22
圖4-1 實驗裝置示意圖 24
圖4-2 實驗裝置照片 24
圖4-3 LCD陣列裝置圖 25
圖4-4 陣列十字狹縫裝置圖 27
圖4-5 十字狹縫放大示意圖 28
圖4-6 CCD拆卸後側視圖 28
圖4-7 陣列透鏡圖形 29
圖4-8 陣列透鏡和十字陣列狹縫使用轉接環裝置在CCD圖示。上圖為裝置測視圖,下圖為裝置俯視圖 30
圖4-9 (左):待測透鏡f/#大於等於微陣列透鏡FOV時的成像情形 31
(右):待測透鏡f/#小於微陣列透鏡FOV的成像情形 31
圖4-10 主光線與光軸夾角大小不同的光線示意圖 33
圖4-11 phase one P25 CCD 33
圖4-12 機械快門裝置示意圖 35
圖4-13 多場像差量測主視窗 36
圖4-14 多場像差量測實驗流程圖 38
圖4-15 LCD亮度非線性校正實驗架構 40
圖4-16 LCD未線性校正亮度變化情形 41
圖4-17 LCD線性校正後亮度變化情形 42
圖4-18 CCD讀取線性校正實驗架構圖 43
圖4-19 CCD擷取影像非線性表現圖形 44
圖4-20 CCD讀取非線性校正後曲線 45
圖4-21 (上)多場像差量測圖形光軸中心點尚未校正 47
(下)多場像差量測圖形光軸中心點已校正 47
圖4-22 圖4-8陣列狹縫安裝在CCD上的俯視示意圖 48
圖4-23(A) 陣列十字狹縫尚未旋轉校正圖形 48
圖4-23(B) 陣列狹縫旋轉校正圖 49
圖4-23(C) 陣列十字狹縫平移讓光柵能成像在陣列十字狹縫上 49
圖4-24 將各視場中心標示在擷取影像圖形上的相移圖形 50
圖4-25 四步相移X和Y方向的朗奇條紋 52
圖4-26 多場像差經由反正切函數計算出的X方向(上)和Y方向(下)相位大小分布 53
圖4-27 X方向(上圖)和Y方向(下圖)橫向像差分布圖(單位:millimeter) 55
圖4-28 多場像差重建波前(單位:millimeter) 56
圖4-29 DZP係數擬合出的多場像差分佈(單位:millimeter) 57
圖4-30 量測多場像差波前和DZP擬合係數所產生的多像差波前的 相減值(單位:millimeter),Peak-to-valley值為0.0438 mm,root-mean-square為0.000811 mm 58
圖4-31 利用實驗量測出的DZP係數所畫出的多場像差圖形(單位:millimeter) 59
圖附錄1 多場像差量測軟體操作主畫面 72
圖附錄2 光柵輸出設定視窗 73
圖附錄3 光柵設定邊界輸出介面 75
圖附錄4 圖附錄3輸出的光柵 76
圖附錄5 待測透鏡資料設定 77
圖附錄6 點擊load後所跳出視窗 79
圖附錄7 多像場定位視窗 80
圖附錄8 多像場相位解纏繞視窗 81
圖附錄9 多像場波前重建視窗 83
圖附錄10 多像場波前和DZP擬合波前誤差值比較視窗 84
圖附錄11 主視窗功能介紹示意圖 86
參考文獻 [1] Yatagai, T., Fringe Scanning Ronchi Test for Aspherical Surfaces. Applied Optics, 1984. 23(20): p. 3676-3679.
[2] K. Hibino, D. I. Farrant, B. K. Ward, and B. F. Oreb,. "Dynamic Range of Ronchi Test with a Phase-Shifted Sinusoidal Grating." ( Applied Optics 36, 6178-6189 (1997).).
[3] M. Mora-Gonzalez, and N. A. Ochoa. "Sinusoidal Liquid Crystal Display Grating in the Ronchi Test." (Optical Engineering 42, 1725-1729 (2003).).
[4] C.-W Liang, and J. Sasian "Geometrical Optics Modeling of the Grating-Slit test." Opt. Express 15, 1738-1744 (2007).
[5] J. L. Rayces, "Exact Relation between Wave Aberration and Ray Aberration,"Journal of Modern Optics 11, 85-88 (1964).
[6] R. Ng et al., "Light Field Photography with a Hand-Held Plenoptic Camera", tech. report CTSR 2005-02, Stanford Univ., 2005
[7] M. Levoy "Light Fields and Computational Imaging." , August 2006 IEEE.
[8] R. Ng and P. M. Hanrahan "Digital Correction of Lens Aberrations in Light Field Photography." (Computer Science, Stanford University, Gates 368, Stanford, California 94305, USA).
指導教授 梁肇文(Chao-wen Liang) 審核日期 2010-6-28
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