CN102540638B - 一种焦点位置检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焦点位置检测装置及其检测方法，所述检测装置，包括基座，在基座上设有光束发生器；在基座上位于光束发生器的一侧设有透镜夹持器；在基座上沿透镜或光学系统光轴方向依次设有用于产生激光散斑效应的毛玻璃、用于产生散光散斑颗粒的半透明漫反射屏及用于摄取半透明漫反射屏上的散斑颗粒的成像单元；毛玻璃、半透明漫反射屏及成像单元底端连接于滑块上，滑块一端连接有步进电机，步进电机连接有数据处理单元，滑块在步进电机控制下在所述基座上沿透镜或光学系统光轴方向相对移动；成像单元与所述数据处理单元连接；所述检测方法，分为三步骤。本发明不仅检测速度快，且准确性高，成本低。

Description

一种焦点位置检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及光学实验及光学加工技术领域，具体涉及一种焦点位置检测装置及其检测方法。

背景技术

在光学实验以及光学加工中，经常需要将某些光学元件精确调整到正光焦度的透镜或系统的会聚点或焦点上，因此首先要确定透镜或系统的会聚点或焦点的位置。通常确定透镜或系统的会聚点或焦点位置的方法有三种，其一是根据透镜或系统的焦距，焦距值通常为已知量，但仍然不知道其主平面或主点的位置，而把透镜或系统当成薄透镜处理，然后用量器测出焦点的位置；其二是在透镜或系统后面放置一个白屏或毛玻璃等，人眼观察白屏或毛玻璃上会聚光斑的大小，当会聚光斑最小时可认为白屏或毛玻璃所在的位置为会聚点或焦点的位置，但由于此时光斑很亮，人眼无法判断出会聚点或焦点的准确位置；其三是利用毛玻璃与光屏检测，依据激光的散斑现象，但毛玻璃与光屏没有固定支架支撑，手持时产生摇晃，而无法准确记录位置。以上三种简易的方法能都能得出会聚点或焦点的位置，但是误差比较大，准确程度不高。

对焦点定位精度较高的装置和方法也很多，如奥林巴斯映像株式会社申请的专利号为200810190526.5的专利，其包括图像传感器，具有多个电荷蓄积型的光电转换元件列，产生与蓄积电荷对应的模拟信号；其有A/D转换器等电子器件。这类光电检测仪器虽然能达到较高的检测精度，但操作繁杂，成本极高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种操作简单，成本低，且准确性高的焦点位置检测装置及其检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

所述焦点位置检测装置，包括基座，在所述基座上设有用于产生激光光束的光束发生器；

在所述基座上位于光束发生器的一侧设有用于固定接收激光光束的透镜或光学系统的透镜夹持器；

在所述基座上沿透镜或光学系统光轴方向依次设有用于产生激光散斑效应的毛玻璃、用于产生散光散斑颗粒的半透明漫反射屏及用于摄取半透明漫反射屏上的散斑颗粒的成像单元；

所述毛玻璃、半透明漫反射屏及成像单元底端连接于滑块上，所述滑块一端连接有步进电机，所述步进电机连接有数据处理单元，所述滑块在步进电机控制下在所述基座上沿透镜或光学系统光轴方向相对移动；

所述成像单元与所述数据处理单元连接。

所述光束发生器，由发出激光光束的激光器及对激光光束进行扩束的扩束镜构成。

所述透镜夹持器，由支架、固定筒及压接筒构成，所述支架底端连接在所述基座上，所述支架顶端为筒状固定架；在固定架的一端上具有一基准平面，该基准平面上设有凸起的基准点，该基准点与透镜一侧表面中心相接触；所述固定筒外表面与所述固定架内壁螺纹连接；所述压接筒外表面与所述固定筒内壁螺纹连接，且所述压接筒一端压在所述透镜的另一侧表面边缘上。

所述激光器的峰值波长为可见光。

所述扩束镜为开普勒型扩束镜或加利略型扩束镜。

所述成像单元包括成像镜头及光电探测器件。

所述半透明漫反射屏可见光透过率大于5％。

在所述基座上设有供所述滑块移动的导轨，所述导轨工作距离大于10mm。

所述步进电机通过丝杆传动控制滑块移动。

所述焦点位置检测装置的检测方法，包括以下步骤；

(1)首先利用透镜夹持器固定好透镜，再打开激光器及扩束镜；

(2)由数据处理单元控制步进电机，步进电机再控制滑块在基座的导轨上移动，成像单元摄取半透明漫反射屏上的散斑颗粒，并将图像信息反馈给数据处理单元；

(3)在滑块沿导轨移动一个行程后，数据处理单元根据成像单元反馈的信息直接计算出半透明漫反射屏上散斑颗粒最大的图像的相对位置信息，再计算出透镜正对毛玻璃一面中心到与透镜相对的毛玻璃一侧表面间的距离，毛玻璃所在位置即为透镜或光学系统的焦点位置；最后数据处理单元将距离参数输出到监视器上。

所述焦点位置检测装置及其检测方法，采用的技术方案，具有以下优点：

首先，所述焦点位置检测装置及其检测方法，充分利用激光散斑的特性，通过数据处理单元计算得出透镜或光学系统的焦点位置，本发明不仅检测速度快，且准确性高；

其次，所述焦点位置检测装置，采用的元器件，激光器、扩束镜、毛玻璃及半透明漫反射屏等，结构简单，易于安装，成本低；

最后，所述焦点位置检测方法，利用所述焦点位置检测装置来实现，不仅操作简单，且准确性高，应该广泛，易于市场化。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明焦点位置检测装置的结构示意图；

图2为图1焦点位置检测装置的透镜夹持器的结构示意图；

图3为图1焦点位置检测装置的透镜夹持器的侧视图；

上述图中的标记均为：

100、光束发生器，101、激光器，102、扩束镜，200、透镜夹持器，201、透镜，202、压接筒，203、固定筒，204、固定架，205、基准点，300、检测模块，301、毛玻璃，302、半透明漫反射屏，303、成像单元，400、基座，401、滑块，402、导轨，403、步进电机，500、数据处理单元。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，所述焦点位置检测装置，包括基座400，在基座400上设有用于产生一定口径激光光束的光束发生器100；在基座400上位于光束发生器100的一侧设有用于固定接收激光光束的透镜201或光学系统的透镜夹持器200；在基座400上沿透镜201或光学系统光轴方向依次设有用于产生激光散斑效应的毛玻璃301、用于产生散光散斑颗粒的半透明漫反射屏302及用于摄取半透明漫反射屏302上的散斑颗粒的成像单元303；毛玻璃301、半透明漫反射屏302及成像单元303构成检测模块300，毛玻璃301、半透明漫反射屏302及成像单元303底端连接于滑块401上，滑块401一端连接有步进电机403，步进电机403连接有数据处理单元500，滑块401在步进电机403控制下在基座400上沿透镜201或光学系统光轴方向相对移动；在基座400上设有供滑块401移动的导轨402；成像单元303与数据处理单元500连接。

所述焦点位置检测装置，利用激光散斑的特性，可方便有效且准确地确定透镜201或光学系统会聚点的位置。散斑的物理起因是：当激光照射到物体表面时，物体上每一个点(面元)都可视为子波源，产生散射光；由于激光的高相干性，则由每一个物点散射的光将和每一个其他物点散射的光发生干涉；又因为物体表面各面元是随机分布的，则由物体表面散射的各子波的振幅的位相都不相同，而且也是无规则地分布；若在透镜201或光学系统的会聚点或焦点位置附近放置一块毛玻璃301或其他表面粗糙的半透明物体，在毛玻璃301后方再放置一个半透明漫反射屏302；在半透明漫反射屏302上可以方便地观察到会聚光斑在毛玻璃301后形成的散斑结构；根据激光散斑的理论，散斑颗粒的直径d满足：

$d\≈1.22\frac{\mathrm{\λL}}{D}$

式中L为毛玻璃301与半透明漫反射屏302之间的距离；D为毛玻璃301上会聚光斑的直径；λ为激光的中心波长；可见当L固定不变时，散斑颗粒的直径d与会聚光斑的直径D成反比；即当D最小时，d最大，即散斑颗粒最粗；当毛玻璃301和半透明漫反射屏302一起沿光轴移动时，半透明漫反射屏302上散斑颗粒的直径会发生变化，当观察到散斑颗粒为最粗时毛玻璃301所在的位置就是会聚点的位置。

光束发生器100，由激光器101及扩束镜102构成，由激光器101发出激光光束，激光光束再经扩束镜102进行扩束；激光器101的峰值波长为可见光，扩束镜102为开普勒型扩束镜或加利略型扩束镜。

透镜夹持器200用于固定待检测透镜201或光学系统，可适应不同直径的透镜201或光学系统的固定需求，且令待检测透镜201或光学系统表面中心垂直于激光光束，扩束后的激光光束由透镜201或光学系统接收；如图2所示，透镜夹持器200，由支架、固定筒203及压接筒202构成，支架底端连接在基座400上，支架顶端为筒状固定架204；在固定架204的一端上具有一基准平面，该基准平面上设有凸起的基准点205，该基准点205与透镜201一侧表面中心相接触；固定筒203外表面与固定架204内壁螺纹连接，螺纹连接方式能控制固定筒203与固定架204的径向相对位置；压接筒202外表面与固定筒203内壁螺纹连接，且压接筒202一端压在透镜201的另一侧表面边缘上；如图3所示，固定架204的基准点205的位置位于固定架204一端的圆心处，基准点205与透镜201的连接位置较小，不会对光束的正常传播造成重大影响；透镜夹持器200上的位移基准点与不同透镜201的一个表面中心的距离不变。

滑块401由数据处理单元500控制的步进电机403驱动，在导轨402上沿光轴方向前后移动，同时带动毛玻璃301、半透明漫反射屏302、成像单元303一起移动；数据处理单元500通过对步进电机403及进一步对滑块401的控制，可获取毛玻璃301在光轴上的相对位置，步进电机403通过丝杆传动以控制滑块401的移动；毛玻璃301为圆形，毛玻璃301也可用其他表面粗糙的半透明物体替代；半透明漫反射屏302为表面较平、漫反射效率高，可见光透过率大于5％的物体。

导轨402工作距离大于10mm，且可以支撑滑块401运动。

成像单元303通过外围电路和接口将摄取的图像信息传递给数据处理单元500。

数据处理单元500用于接收成像单元303的信号、控制步进电机403，并计算处理焦点位置信息并输出到监视器；成像单元303包括成像镜头及光电探测器件，成像单元303将成像镜头摄取的图像信息传递给数据处理单元500；数据处理单元500判断在获取的一系列图像信息与位移信息中与透镜201或光学系统焦点对应的位移信息，数据处理单元500的基本算法为：首先设置一个阈值，使获取的图像转为黑白图像，即每个像素点的值只能为0或1(有光为1无光为0)；该阈值为测试周围的环境光亮度与激光器101功率决定，目的是为了去除杂光，保留散斑颗粒图像信息；依次读取图像中各像素点信息，将值为1的像素点分类，根据各像素点的空间关系，把上下左右等九个相邻像素中值为1的像素信息一起放入同一个集合；去除各集合中重复的像素信息；统计集合的像素数量；以集合的像素数量除以集合个数，并以该值代表散斑颗粒的直径；查找各图像中所计算的斑颗粒的直径的最大值所对应的位移信息；并在显示屏上进行显示。

所述焦点位置检测方法，利用所述焦点位置检测装置来实现，其特征在于：包括以下步骤；

(1)首先利用透镜夹持器200固定好透镜201，再打开激光器101及扩束镜102；

(2)由数据处理单元500控制步进电机403，步进电机403再控制滑块401在基座400的导轨402上移动，成像单元303对半透明漫反射屏302上的散斑颗粒进行扫描，并将扫描信息反馈给数据处理单元500；

(3)在滑块401沿导轨402移动一个行程后，数据处理单元500根据成像单元303反馈的信息直接计算出半透明漫反射屏302上散斑颗粒最大的图像的相对位置信息，再根据步进电机403信号计算出透镜201正对毛玻璃301一面中心到与透镜201相对的毛玻璃301一侧表面间的距离，毛玻璃301所在位置即为透镜201或光学系统的焦点位置；最后数据处理单元500将距离参数输出到监视器上。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种焦点位置检测装置，其特征在于：包括基座(400)，在所述基座(400)上设有用于产生激光光束的光束发生器(100)；

在所述基座(400)上位于光束发生器(100)的一侧设有用于固定接收激光光束的透镜(201)的透镜夹持器(200)；

在所述基座(400)上沿透镜(201)光轴方向依次设有用于产生激光散斑效应的毛玻璃(301)、用于产生散光散斑颗粒的半透明漫反射屏(302)及用于摄取半透明漫反射屏(302)上的散斑颗粒的成像单元(303)；

所述毛玻璃(301)、半透明漫反射屏(302)及成像单元(303)底端连接于滑块(401)上，所述滑块(401)一端连接有步进电机(403)，所述步进电机(403)连接有数据处理单元(500)，所述滑块(401)在步进电机(403)控制下在所述基座(400)上沿透镜(201)光轴方向相对移动；

所述成像单元(303)与所述数据处理单元(500)连接；

所述透镜夹持器(200)，由支架、固定筒(203)及压接筒(202)构成，所述支架底端连接在所述基座(400)上，所述支架顶端为筒状固定架(204)；在固定架(204)的一端上具有一基准平面，该基准平面上设有凸起的基准点(205)，该基准点(205)与透镜(201)一侧表面中心相接触；所述固定筒(203)外表面与所述固定架(204)内壁螺纹连接；所述压接筒(202)外表面与所述固定筒(203)内壁螺纹连接，且所述压接筒(202)一端压在所述透镜(201)的另一侧表面边缘上；

所述光束发生器(100)，由发出激光光束的激光器(101)及对激光光束进行扩束的扩束镜(102)构成；

所述激光器(101)的峰值波长为可见光；

所述半透明漫反射屏(302)可见光透过率大于5％；

在所述基座(400)上设有供所述滑块(401)移动的导轨(402)，所述导轨(402)工作距离大于10mm；

所述步进电机(403)通过丝杆传动控制滑块(401)移动。

2.按照权利要求1所述的焦点位置检测装置，其特征在于：

所述扩束镜(102)为开普勒型扩束镜或加利略型扩束镜。

3.按照权利要求2所述的焦点位置检测装置，其特征在于：所述成像单元(303)包括成像镜头及光电探测器件。

4.一种权利要求1至3任一项所述的焦点位置检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤；

(1)首先利用透镜夹持器固定好透镜，再打开激光器及扩束镜；

(2)由数据处理单元控制步进电机，步进电机再控制滑块在基座的导轨上移动，成像单元摄取半透明漫反射屏上的散斑颗粒，并将图像信息反馈给数据处理单元；

(3)在滑块沿导轨移动一个行程后，数据处理单元根据成像单元反馈的信息直接计算出半透明漫反射屏上散斑颗粒最大的图像的相对位置信息，再计算出透镜正对毛玻璃一面中心到与透镜相对的毛玻璃一侧表面间的距离，毛玻璃所在位置即为透镜或光学系统的焦点位置；最后数据处理单元将距离参数输出到监视器上。