CN102156037A - 光学检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学检测装置及检测方法，所述检测方法利用分辨力的检测方法来检测景深，其以刚能分辨许可的空间频率值的最近和最远物平面位置之差作为该镜头的景深。所述检测装置包括导轨组、照明器组、分辨力板组、准直镜组、镜头座组、测量显微镜组和滑座组。测量显微镜用来对被检测镜头进行分辨力检测，滑座组用来轴向移动准直镜组、镜头座组和测量显微镜组以调节分辨力板与准直镜之间的距离，从而生成物距可以变化的有限远的目标。利用该景深检测装置可以使镜头的景深指标得到量化，进而也为大景深镜头的研制提供了测量仪器。

Description

光学检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种景深检测装置及景深检测方法。

背景技术

长久以来，摄像装置均受到景深不足这个问题的困扰。景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿着成像器轴线所测定的能够取得清晰图像的物体距离范围。目前，景深都是通过理论计算得出的，尚没有可用来检测的设备。但理论计算值只是一种理想情况，其与实际情况往往存在偏差，因此迫切需要有一种可以检测景深的具体数值的仪器来量化地比较不同镜头的景深水平、以及为大景深镜头的研究开发提供可靠的测量仪器。

景深与分辨力有关，只要我们能用仪器找到刚刚能被观察者清楚分辨图像的景深近点和景深远点，那么景深的测量问题就迎刃而解。但是，如图1所示，现有的分辨力的检测方法是将分辨力板3放置在平行光管T的物镜4的物方焦平面上，从平行光管出射的平行光经被检镜头5后成分辨力板3的实像，再用显微镜7观察被检镜头所成的分辨力图案实像。所述平行光管能提供一无穷远目标或平行光束，它可将一被光源照明的分辨力板置于平行光管物镜的焦面上而构成。根据上述原理可知现有的分辨力检测方法只适合检测镜头调焦(即对焦)于无限远处的物平面时的分辨力，而镜头调焦于有限远时的分辨力与调焦于无限远位置时的分辨力是不一样的，因此现有方法无法检测镜头调焦于有限远位置时的分辨力。由于对镜头调焦于有限远时的分辨力无法测得，也就无法找到刚能分辨许可的空间频率值的景深近点和景深远点，所以一直以来没有可以利用分辨力检测方法来测量景深的检测装置。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种景深检测装置和检测方法，所述景深检测方法利用并包含了分辨力的检测方法，其以刚能分辨许可的空间频率值的最近和最远物平面位置之差作为该镜头的景深。

现有测量装置存在的问题是平行光管无法生成有限远的目标。因此需要解决的问题首先是如何生成一个物距位于有限远的目标，其次是用什么参数来作为判定景深大小的依据。

本发明对于第一个问题的解决方案是在被检测镜头前放置一个准直镜，该准直镜配置一个分辨力板，所述分辨力板设计成可以相对于准直镜轴向移动，通常将分辨力板放置于该准直镜的物方焦点以内，但也可以将分辨力板放置在该准直镜的物方焦点以外，从而可以将分辨力板的虚像或实像成在所需要的位置上，而不只是在无限远处，该像就是我们所需要的、而以往的平行光管无法生成的有限远的目标，而且该像可以随着分辨力板的轴向移动虚拟出可以变化物距的有限远的目标。

至于第二个问题，本发明是以被检测镜头像面的允许弥散圆作为判定景深范围的基本依据，将弥散圆直径通过光路计算方式换算到分辨力板上对应的线条宽度，对被检测镜头进行分辨力测量，以刚能分辨出该线条宽度的最近和最远物平面位置之差作为该镜头的景深。测量的原理如图3所示，图中4为准直镜，5为被检测镜头。物点A(分辨力板)经准直镜4成像后，其像点A′同时又是镜头5的物点，像点A′经镜头5所成的像点为A″。假设A″点所在的平面即镜头5的像面的允许弥散圆直径为δ，假设在物点A的两侧，各存在一个物平面，其上的物点B和C经准直镜4和镜头5成像后，在A″点所在的像平面上形成的弥散圆直径刚好为δ，则B点的准直镜像点B′点与A′点的轴向距离即为镜头的远景深Δ1，A′点与C点的准直镜像点C′点的轴向距离即为镜头的近景深Δ2。镜头的总景深Δ＝Δ1+Δ2。

根据本发明的一个方面，本发明公开了一种用于检测镜头景深的光学检测装置，所述检测装置包括分辨力板、准直镜、分划板和测量显微镜，分辨力板位于准直镜的物方并可以相对于准直镜移动，被测镜头放置于准直镜和分划板之间。

作为本发明的一项优选方案，该光学检测装置进一步包括滑座组，用来轴向移动准直镜、镜头座组和测量显微镜，以调节准直镜与分辨力板之间的距离。

作为本发明的一项优选方案，分辨力板仅在准直镜的物方焦点以内移动。

作为本发明的一项优选方案，分辨力板在准直镜的物方焦点以外或物方焦点以内移动。

根据本发明的另一个方面，本发明公开了一种用于检测镜头景深的光学检测装置，所述检测装置包括分辨力板、分划板和测量显微镜，被测镜头放置于分辨力板和分划板之间，分辨力板位于被测镜头的物方并可以相对于被测镜头移动。

作为本发明的一项优选方案，该光学检测装置进一步包括滑座组，用来轴向移动镜头座组和测量显微镜，以调节被测镜头与分辨力板之间的距离。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，分划板位于显微镜的调焦物平面上。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，该光学检测装置进一步包括镜头座组，所述镜头座组用于安装被测镜头和分划板。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，被测镜头和分划板之间的距离固定，所述距离与被测镜头和感光元件在组装成摄像装置时镜头与感光元件之间的距离相等。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，所述镜头座的一端具有螺纹接口，用于安装被测镜头。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，该光学检测装置进一步包括导轨组。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，所述导轨组上方设置分辨力板和准直镜。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，所述导轨组上方设置分辨力板和滑座组。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，该光学检测装置进一步包括照明器组，其用来为分辨力板提供良好的照明。所述照明器组包括照明光源和聚光镜。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，所述准直镜采用焦距为555mm的准直物镜。

作为本发明上述两个方面的一项优选方案，所述测量显微镜的放大倍率为24倍。

本发明还提供了一种用于测量景深的光学检测方法，其包括以下步骤：(1)将分划板安装到相对于被测镜头固定距离的位置处；(2)将测量显微镜调焦至分划板的刻线面；(3)调整分辨力板与准直镜之间的距离，使得从显微镜中能看到清晰的分辨力板的图案像，此时分辨力板与准直镜之间的距离设为S_A；(4)向远离准直镜的方向相对移动分辨力板，直至从显微镜中刚能分辨像面允许弥散圆所对应的分辨力图案时停止移动，此时分辨力板与准直镜之间的距离设为S_B；(5)向靠近准直镜的方向相对移动分辨力板，直至从显微镜中刚能分辨像面允许弥散圆所对应的分辨力图案时停止移动，此时分辨力板与准直镜之间的距离设为S_C；(6)根据S_A、S_B和S_C计算景深。分辨力板可以仅在准直镜的物方焦点以内移动。

本发明还提供了第二种用于测量景深的光学检测方法，所述光学检测方法使用带有准直镜的所述光学检测装置来测量景深，当分辨力板在准直镜的物方焦点以内移动时测量景深远距，当分辨力板在准直镜的物方焦点以外移动时测量景深近距，最后根据两者来算出景深。

本发明还提供了第三种用于测量景深的光学检测方法，所述光学检测方法使用带有准直镜的所述光学检测装置来测量景深远距，使用不含准直镜的所述光学检测装置来测量景深近距，这样既可以通过虚像来模拟距离很远的景深远点，又可以避免准直镜的存在导致的很小的景深近点的测量盲区，从而最终可以测量任意范围的景深，最后根据两者来算出景深。

利用本发明的景深检测装置和检测方法使得景深检测由无法实施变成了可以实施，从而使与景深有关的镜头指标可以得到量化测评，并为大景深镜头的研究开发提供可靠的测量仪器。

附图说明

图1是现有的平行光管分辨力检测系统。

图2是本发明所使用的分辨力板。

图3是镜头的景深检测装置光学原理图。

图4是大景深镜头的景深检测装置的部件装配图。

图5是镜头的景深检测装置光学系统组成图。

具体实施方式

如图4所示，本发明的景深检测装置由导轨组g1、照明器组g2、分辨力板组g3、准直镜组g4、镜头座组g5、测量显微镜组g6、滑座组g7组成。导轨组g1为检测装置的基体，其上设置分辨力板组g3和准直镜组g4，分辨力板组g3相对于准直镜组g4可以移动，分辨力板组g3与准直镜组g4用来生成被检测镜头的成像目标，即形成距被检测镜头有限远距离的物体。导轨组上设置了测量显微镜组g6，测量显微镜用来对被检测镜头进行分辨力检测。在准直镜组g4与测量显微镜组g6之间设置镜头座组g5，镜头座组g5用来支撑固定被检测镜头5以及分划板6。滑座组g7用来轴向移动准直镜组g4、镜头座组g5和测量显微镜组g6以调节分辨力板与准直镜之间的距离，从而生成物距可以变化的有限远的目标，同时又保证准直镜、被检测镜头、显微镜之间的相对位置不变。照明器组g2用来为分辨力板提供良好的照明。

如图5所示，本发明所述测量装置的光学系统由照明光源1、聚光镜2、分辨力板3、准直镜4、被检测镜头5、分划板6和测量显微镜7组成。分辨力板采用如图2所示的USAF1951分辨力板，准直镜采用焦距为555mm的准直物镜。测量显微镜的放大倍率为24倍。使用本装置的检测方法如下：

①将分划板6安装到相对于被测镜头5固定距离的位置处，使得它们之间的距离与被测镜头和感光元件CCD在组装成摄像装置时镜头与感光元件之间的距离相等，即使分划板6安装在被测镜头的像平面位置；

②测量显微镜7调焦至分划板6的刻线面，即调焦至被检测镜头5的像平面位置；

③调整分辨力板3与准直镜4之间的距离S，使得从显微镜中能看到清晰的分辨力板3的图案像，此时该像位于分划板6处，也即前面定好的像平面位置，根据物像共轭的对应关系，则此时分辨力板3与准直镜4之间的距离S＝S_A(参见图3)，分辨力板经准直镜4所成的像A′位于我们所要求的被检测镜头5的调焦物平面位置，其对被检测镜头的物距为(L+d)；

④将弥散圆直径通过光路计算方式换算到分辨力板上对应的线条宽度，找到分辨力板上与之相应的分辨力图案，向远离准直镜的方向移动(或相对移动)分辨力板3，直至从显微镜中刚能分辨像面允许弥散圆所对应的分辨力图案时停止移动，此时分辨力板3与准直镜4之间的距离为S_B；

⑤将弥散圆直径通过光路计算方式换算到分辨力板上对应的线条宽度，找到分辨力板上与之相应的分辨力图案，向靠近准直镜的方向移动(或相对移动)分辨力板3，直至从显微镜中刚能分辨像面允许弥散圆所对应的分辨力图案时停止移动，此时分辨力板3与准直镜4之间的距离为S_C；

⑥用如下公式计算被检测镜头的远景深：

${\mathrm{\Δ}}_1=\frac{{f^{\′}}_Z(S_B+l_{\mathrm{HZ}})}{{f^{\′}}_Z-(S_B+l_{\mathrm{HZ}})}-\frac{{f^{\′}}_Z(S_A+l_{\mathrm{HZ}})}{{f^{\′}}_Z-(S_A+l_{\mathrm{HZ}})}$

式中：Δ₁-被检测镜头的远景深

f′_Z-准直镜焦距

l_HZ-准直镜前主点位置参数

S_A-与调焦点A′对应的分辨力板3与准直镜4之间的距离

S_B-与景深远点B′对应的分辨力板3与准直镜4之间的距离

⑦用如下公式计算被检测镜头的近景深：

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{{f^{\′}}_Z(S_A+l_{\mathrm{HZ}})}{{f^{\′}}_Z-(S_A+l_{\mathrm{HZ}})}-\frac{{f^{\′}}_Z(S_C+l_{\mathrm{HZ}})}{{f^{\′}}_Z-(S_C+l_{\mathrm{HZ}})}$

式中：S_C-与景深近点C′对应的分辨力板3与准直镜4之间的距离。

⑧用如下公式计算被检测镜头的总景深：

Δ＝Δ₁+Δ₂

其中，由像面弥散圆直径换算到分辨力板上的线宽的计算过程如下，若已知条件为：准直镜焦距f′_Z；被检测镜头焦距f′；调焦物距P(为方便起见P取正值)；准直镜与被检测镜头的距离d；像面弥散圆直径δ。

1)根据调焦物距求被检测镜头的放大率

$\frac{1}{l^{\′}}-\frac{1}{l}=\frac{1}{f^{\′}}$

将l＝-P带入公式 $\frac{1}{l^{\′}}-\frac{1}{l}=\frac{1}{f^{\′}}$ 中有

$\frac{1}{l^{\′}}-\frac{1}{-P}=\frac{1}{f^{\′}}$

$l^{\′}=\frac{P\·f^{\′}}{P-f^{\′}}$

$\mathrm{\β}=\frac{l^{\′}}{l}=\frac{\frac{P\·f^{\′}}{P-f^{\′}}}{-P}=\frac{f^{\′}}{f^{\′}-P}$

2)根据调焦物距求准直镜的物距和放大率

被检测镜头的调焦物点就是准直镜的像点，其像距为

l′_Z＝-(P-d)，将其带入公式

中有

$\frac{1}{-(P-d)}-\frac{1}{l_Z}=\frac{1}{f_Z^{,}}$

$\frac{1}{l_Z}=-\frac{(P-d)+f_Z^{,}}{f_Z^{,}(P-d)}$

$l_Z=-\frac{f_Z^{,}(P-d)}{(P-d)+f_Z^{,}}$

${\mathrm{\β}}_Z=\frac{l_Z^{\′}}{l_Z}=\frac{-(P-d)}{\frac{f_Z^{,}(P-d)}{(P-d)+f_Z^{,}}}=-\frac{(P-d)+f_Z^{,}}{f_Z^{,}}$

3)求系统总放大率

4)求分辨力板线宽值：

由放大率公式可求出像高对应的物高：

许可的弥散圆直径应该对应一线对的宽度即黑白线条总宽度为弥散圆直径时可分辨。因此分辨力板的线宽(指黑线条或白线条的宽度)应为：

本发明在通过显微镜观察分辨力板的图案时通常用人眼观察，但更进一步地，也可以通过自动图像识别装置来分辨线对图案，从而确定景深近点和景深远点，从而减少不同人观察时可能引起的误差。

本发明也可以省略掉准直镜，直接将分辨力板放置在被测镜头的物方并进行移动，按照与上述方法类似的方法，通过显微镜的观察来实现景深的测量。

本发明可以在测景深远距时用含有准直镜的测量装置，在测量景深近距时用不含有准直镜的测量装置。

本发明不限于上述实施例，上述检测装置可以进行各种变形。而且，本发明的特征尤其在于其检测方法，凡根据本发明的检测方法所制造的检测装置均落入本发明的保护范围之内。

Claims (23)

1.一种光学检测装置，其用于检测镜头的景深，其特征在于：所述景深检测装置包括分辨力板、准直镜、分划板和测量显微镜，分辨力板位于准直镜的物方并可以相对于准直镜移动，被测镜头放置于准直镜和分划板之间。

2.根据权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于：该光学检测装置进一步包括滑座组，用来轴向移动准直镜、镜头座组和测量显微镜，以调节准直镜与分辨力板之间的距离。

3.根据权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于：分辨力板仅在准直镜的物方焦点以内移动。

4.根据权利要求1所述的光学检测装置，其特征在于：分辨力板在准直镜的物方焦点以外或物方焦点以内移动。

5.一种光学检测装置，其用于检测镜头的景深，其特征在于：所述景深检测装置包括分辨力板、分划板和测量显微镜，被测镜头放置于分辨力板和分划板之间，分辨力板位于被测镜头的物方并可以相对于被测镜头移动。

6.根据权利要求5所述的光学检测装置，其特征在于：该光学检测装置进一步包括滑座组，用来轴向移动镜头座组和测量显微镜，以调节被测镜头与分辨力板之间的距离。

7.根据权利要求1或5所述的光学检测装置，其特征在于：分划板位于显微镜的调焦物平面上。

8.根据权利要求1或5所述的光学检测装置，其特征在于：该光学检测装置进一步包括镜头座组，所述镜头座组用于安装被测镜头和分划板。

9.根据权利要求1或5所述的光学检测装置，其特征在于：被测镜头和分划板之间的距离固定，所述距离与被测镜头和感光元件在组装成摄像装置时镜头与感光元件之间的距离相等。

10.根据权利要求9所述的光学检测装置，其特征在于：所述镜头座的一端具有螺纹接口，用于安装被测镜头。

11.根据权利要求1或5所述的光学检测装置，其特征在于：该光学检测装置进一步包括导轨组。

12.根据权利要求11所述的光学检测装置，其特征在于：所述导轨组上方设置分辨力板和准直镜。

13.根据权利要求11所述的光学检测装置，其特征在于：所述导轨组上方设置分辨力板和滑座组。

14.根据权利要求1或5所述的光学检测装置，其特征在于：该光学检测装置进一步包括照明器组，其用来为分辨力板提供良好的照明。

15.根据权利要求14所述的光学检测装置，其特征在于：所述照明器组包括照明光源和聚光镜。

16.根据权利要求1或5所述的光学检测装置，其特征在于：所述准直镜采用焦距为555mm的准直物镜。

17.根据权利要求1或5所述的光学检测装置，其特征在于：所述测量显微镜的放大倍率为24倍。

18.根据权利要求1或5所述的光学检测装置，其特征在于：所述光学检测装置进一步包括图像识别装置，其通过测量显微镜自动识别分辨力板上的线对图案。

19.一种用于测量景深的光学检测方法，其包括以下步骤：

(1)将分划板安装到相对于被测镜头固定距离的位置处；

(2)将测量显微镜调焦至分划板的刻线面；

(3)调整分辨力板与准直镜之间的距离，使得从显微镜中能看到清晰的分辨力板的图案像，此时分辨力板与准直镜之间的距离设为S_A；

(4)向远离准直镜的方向相对移动分辨力板，直至从显微镜中刚能分辨像面允许弥散圆所对应的分辨力图案时停止移动，此时分辨力板与准直镜之间的距离设为S_B；

(5)向靠近准直镜的方向相对移动分辨力板，直至从显微镜中刚能分辨像面允许弥散圆所对应的分辨力图案时停止移动，此时分辨力板与准直镜之间的距离设为S_C；

(6)根据S_A、S_B和S_C计算景深。

20.根据权利要求19所述的光学检测方法，其特征在于：

用如下公式计算被检测镜头的远景深、近景深和总景深：

远景深

近景深

总景深Δ＝Δ₁+Δ₂

式中Δ₁为被测镜头的远景深，f′_z为准直镜焦距，l_HZ为准直镜前主点位置参数，S_A为与被测镜头的调焦点对应的分辨力板位置与准直镜之间的距离，S_B为与景深远点对应的分辨力板位置与准直镜之间的距离，S_C为与景深近点对应的分辨力板位置与准直镜之间的距离。

21.根据权利要求20所述的光学检测方法，其特征在于：分辨力板仅在准直镜的物方焦点以内移动。

22.一种用于测量景深的光学检测方法，其特征在于：所述光学检测方法使用权利要求3所述的光学检测装置来测量景深远距，然后移走准直镜，从而使用权利要求5所述的光学检测装置来测量景深近距，从而最终获得总景深。

23.一种用于测量景深的光学检测方法，其特征在于：所述光学检测方法使用权利要求1所述的光学检测装置来测量景深，当分辨力板在准直镜的物方焦点以内移动时测量景深远距，当分辨力板在准直镜的物方焦点以外移动时测量景深近距。

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