CN102661849A

CN102661849A - 一种检测微透镜阵列焦距的方法

Info

Publication number: CN102661849A
Application number: CN2012101068036A
Authority: CN
Inventors: 朱咸昌; 伍凡; 曹学东; 吴时彬
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明提供一种检测微透镜阵列焦距的方法，首先在微透镜阵列的顶点附近采集第一组图像；然后在微透镜阵列焦点附近采集二组图像；利用数字图像清晰度函数分析，分别确定微透镜阵列的各个单元的顶点、焦点位置；计算得出两次定焦测量的位置差，即为微透镜阵列各个单元的焦距。相比较干涉仪测量法，本发明利用软件方面的图像分析计算代替硬件上的干涉仪定焦，测量成本更低，操作简便、易行，操作简便易行。同时，利用该方法一次采集图像可完成对多个阵列的测量，适合于阵列数较多的微透镜焦距测量。

Description

一种检测微透镜阵列焦距的方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，涉及一种基于图像定焦技术的微透镜阵列焦距的测量方法，可用于单元数较多的微透镜阵列测量。

背景技术

微透镜阵列作为一个重要的微光学器件，被广泛应用于光准直、光耦合和三维成像等领域，尤其在哈特曼-沙克波前传感器中，微透镜阵列是一个核心的组成部件。与普通透镜一样，焦距是微透镜阵列一个关键的参数。对于微透镜阵列的焦距测量，由于微透镜阵列的应用越来越广，对微透镜阵列的检测要求也越来越高。

传统的对微透镜阵列焦距检测方法有放大率法、转角法、浮雕深度测量法、焦距仪检测法、光栅衍射测量法和干涉测量法等。

放大率法是焦距测量过程中比较常用的检测方法，其检测原理为：检测使用的平行光管星点板上有两个小孔；通过光源照明后，平行光管的出射光为两束平行光；平行光经过微透镜阵列汇聚，在其各个子单元的焦面上成两个点像。根据几何成像原理，可计算微透镜阵列各个子单元的焦距。

\frac{f_{i}}{F} = \frac{d_{i}}{d}

式中F为平行光管的焦距，d为星点板上两个小孔的中心距，fi为被测微透镜子单元的焦距，di为该子单元焦面上像点的中心距，i为相应的子单元编号。该方法操作简单，测量成本较低，一次测量可完成多个微透镜阵列焦距的测量，具有较高的测量精度和测量效率；但由于平行光管的焦距较长和微透镜阵列焦面上光斑衍射极限的限制，不易完成短焦距微透镜阵列的检测。

转角法是将平行光管置于精密转台上，首先调节转台使平行光管的出射光正入射进入被测微透镜阵列，在焦面上采集图像；然后调节转台转动一定的角度使平行光管出射光斜入射进入被测微透镜阵列，再次在焦面上采集图像；计算两次采集图像的各个子单元的光斑偏移量，结合转动的角度可完成微透镜阵列的焦距测量。

f_i＝d_i/tanα

式中，fi为被测微透镜阵列各个子单元的焦距；di为相应子单元两次成像的中心距；α为转台转动的角度。配合高精密转台的使用，该方法具有较高的测量精度和测量效率，但测量成本较高。

浮雕深度测量法是根据二元光学元件的微细加工原理，测量微透镜阵列的浮雕深度h和口径d，计算微透镜阵列的焦距f。

f = \frac{d^{2}}{8 (n - 1) h}

其中n为微透镜阵列的折射率，该方法简单易行，但测量过程中，微透镜阵列子单元的口径受面型变化的影响，测量误差较大，所以精度较低；而且一次只可以完成单个子单元的检测，测量效率偏低。

焦距仪测量法是用测量显微镜首先观察被测微透镜阵列，利用红笔在其定点上做一个标记，移动显微镜，在焦面上观察这个标记的像点，显微镜两次移动的距离即是微透镜阵列的焦距。该方法检测精度较低，且一次只能测量单个子单元的焦距，测量效率偏低，不适于阵列数较多的微透镜阵列检测。

光栅衍射法是用普通的衍射光栅代替精密转台对微透镜阵列进行测量的方法。根据测量微透镜阵列各个子单元对光栅的0级和1级衍射光所成像的中心距，结合光栅参数完成微透镜阵列焦距测量。

f_i＝h_i/tan a

式中fi为微透镜阵列子孔径的焦距，hi为该子单元0级和1级光斑的中心距。该方法一次采集可完成微透镜阵列多个子孔径的焦距测量，测量效率较高；但由于相邻子孔径间的光斑干扰，不适于长焦距微透镜阵列的检测。

干涉仪法是在焦距仪检测的基础上，利用泰曼-格林干涉仪对微透镜焦距进行测量。该检测方法通过观察干涉条纹确定微透镜阵列的顶点位置和焦点位置，记录确定两个位置时干涉仪的探头移动的距离即为微透镜阵列的焦距。该方法虽然具有较高的测量精度，但操作复杂，成本较高；另外，该方法与焦距仪类似，测量效率较低。

发明内容

为了解决传统的检测方法对不同焦距类型的微透镜阵列检测不能兼顾测量精度和测量效率，不适于单元数较多的微透镜阵列的焦距测量的缺陷，本发明的目的是简化操作，不仅具有较高的测量精度，还具有较高的检测效率，可用于单元数较多的微透镜阵列焦距检测，为此本发明提出一种新的检测微透镜阵列焦距的方法。

为达成所述目的，本发明提供一种检测微透镜阵列焦距的方法，利用由单色仪、平行光管、微透镜阵列、CCD探测器和光栅测微仪组成的检测系统，通过确定微透镜阵列的焦点和顶点位置，实现焦距测量的步骤如下：

步骤1：将CCD探测器移动到微透镜阵列的顶点附近位置，以步距电机的步距为单位长度在顶点附近位置采集第一组图像，并将采集的第一组图像依次编号，计算采集的各个图像的清晰度函数值，利用Matlab软件绘制第一组图像的清晰度函数曲线并确定曲线的极大值位置即为微透镜阵列的各个子单元的顶点位置；

步骤2：将CCD探测器移动到微透镜阵列的焦面附近位置，以步距电机的步距为单位长度在焦面附近位置采集第二组图像，并将采集的第二组图像依次编号，利用Matlab软件分析并确定微透镜阵列的各个子单元的焦点位置的图像；

步骤3：用光栅测微仪分别对每组图像进行测量，获得每组图像中CCD探测器从微透镜阵列的顶点移动到焦点位置的距离时采集的第一帧图像；

步骤4：计算微透镜阵列的各个子单元的焦距f_ef为：

f_ef＝(n_id-n_ij)×s+l

式中，n_id为在第i个子单元的顶点位置采集的图像编号i为微透镜阵列子单元的编号，n_ij为在微透镜阵列第i个子单元的焦面位置采集的图像编号，i为自然数，j表示焦面，d表示顶点，s为步进电机的步距，l为CCD探测器从被测微透镜阵列的顶点移动到焦点采集的两组图像的第一帧图像的距离。

本发明的有益效果：

(1)本发明的方法结合数字图像清晰度函数定焦技术，确定测微透镜阵列的顶点和焦点，可用于单元数较多的微透镜阵列焦距的测量，一组图像可完成多个微透镜阵列的子单元定焦测量，具有较高的测量效率；

(2)用软件方面的图像分析计算代替硬件上的干涉仪定焦，测量成本更低，操作简便、易行。

(3)利用光栅测微仪测量CCD探测器在焦点和顶点附近分别采集图像时移动的距离，适合于各类型焦距的微透镜阵列检测。

附图说明

图1a为本发明的检测方法的流程图。

图1b为本发明的检测系统检测微透镜阵列焦距示意图。

图2a为微透镜阵列焦点附近采集的图像。

图2b为顶点附近采集的图像。

图3a为清晰度函数在微透镜阵列某一个子单元顶点处的变化曲线图。

图3b为清晰度函数在焦点处的变化曲线图。

图中部件说明：

1单色仪， 2平行光管， 3微透镜阵列，

4CCD探测器， 5光栅测微仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1a图1b示出本发明检测方法的流程图，本发明的方法采用图1b示出为检测系统检测微透镜阵列焦距的示意图，利用由单色仪1、平行光管2、被测微透镜阵列3、CCD探测器4和光栅测微仪5组成的检测系统，通过确定被测微透镜阵列3的焦点和顶点位置，实现焦距测量的步骤如下：

步骤1：由步距电机将CCD探测器4移动到微透镜阵列3的顶点附近位置，以步距电机的步距为单位长度在顶点附近位置采集第一组图像，并将采集的第一组图像依次编号，计算采集的各个图像的清晰度函数值，利用Matlab软件绘制第一组图像的清晰度函数曲线并确定曲线的极大值位置即为微透镜阵列3的各个子单元的顶点位置；

步骤2：将CCD探测器4移动到微透镜阵列3的焦面附近位置，以步距电机的步距为单位长度在焦面附近位置采集第二组图像，并将采集的第二组图像依次编号，利用Matlab软件分析并确定微透镜阵列3的各个子单元的焦点位置的图像；

步骤3：用光栅测微仪5分别对每组图像进行测量，获得每组图像中CCD探测器4从微透镜阵列3的顶点移动到焦点位置的距离时采集的第一帧图像；

步骤4：计算微透镜阵列3的各个子单元的焦距f_ef为：

f_ef＝(n_id-n_ij)×s+l

式中，n_id为在第i个子单元的顶点位置采集的图像编号i为微透镜阵列3子单元的编号，n_ij为在微透镜阵列3第i个子单元的焦面位置采集的图像编号，i为自然数，j表示焦面，d表示顶点，s为步进电机的步距，l为CCD探测器4从被测微透镜阵列3的顶点移动到焦点采集的两组图像的第一帧图像的距离。

利用Matlab软件分析每组图像，确定对应子单元的顶点和焦点位置的编号，利用Matlab软件中的regionprops函数确定图像上微透镜阵列3的各个子单元光斑的中心；截取图像上所述各个子单元查过其艾丽斑的范围进行灰度方差计算；利用Matlab的绘图功能分别绘制不同子单元的顶点和焦点附近的灰度方差变化曲线；通过曲线的变化趋向确定微透镜阵列3的各个子单元的顶点和焦点位置的图像编号。

图1b为检测系统检测微透镜阵列焦距的示意图中，单色仪1作为光源，其出射光经平行光管2准直后，在被检测的微透镜阵列3的各个子单元的焦面上形成相应的光斑，移动CCD探测器4在微透镜阵列3顶点附近采集图像以确定所述各个子单元的顶点位置；再移动CCD探测器4在焦面附近沿光轴依次采集图像以确定微透镜阵列3的各个子单元的焦面位置。用光栅测微仪5记录CCD探测器4在两次测量时的位置差异，从而计算得出微透镜阵列3的各个子单元的焦距f_ef。

根据数字图像处理原理，图像越清晰，锐度值越大，其相应的图像相邻像素间的灰度值相差越大，因此，在成像位置上，反应灰度差变化趋势的清晰度函数具有极大值。作为数字图像清晰度函数一类的灰度方差函数G_i也越大。基于数字图像清晰度函数对微透镜阵列的顶点和焦点进行定焦的步骤为：将采集的每组图像按微透镜阵列光斑的分布截取分析，得到微透镜阵列第i个子单元的灰度方差G_i表示为：

式中g_i(x，y)表示截取图像上第x行第y列的灰度值，而M和N表示截取图像的宽度和高度，

为灰度平均值，以采集图像的编号为横坐标，以相应图像灰度方差值为纵坐标，绘制所述各个子单元的灰度方差变化曲线，灰度方差最大值点表明该处采集的图像最清晰。在焦面附近采集图像，通过分析图像方差的变化特性，可完成对微透镜阵列3的焦点标定。

如图2b示出顶点附近采集的图像，利用图像灰度方差函数G_i进行定焦测量时，首先利用步进电机带动CCD探测器4在微透镜阵列3的顶点附近，采集图像并依次编号；如图2a示出微透镜阵列焦点附近采集的图像，移动CCD探测器4至微透镜阵列3焦点附近，用光栅测微仪5记录移动的距离l，在焦面附近采集图像并依次编号；最后利用灰度方差函数分析采集的两组图像，根据图像处理知识确定顶点和焦点所在的位置。

结合两次采集图像的灰度方差函数曲线，对于微透镜阵列3，当CCD探测器4在微透镜阵列3的顶点附近采集图像时，按步进电机步距s为0.01mm、0.02mm或0.05mm或其他步距，将采集的图像按先后顺序依次编号；用Matlab软件对两组图像分析处理的步骤为：利用Matlab软件依次读取采集各帧图像，并计算相应的灰度方差函数值，由于采集的图像是一个光斑阵列，针对不同的子单元，可计算出相应子单元的灰度方差函数值G_i(图2a)；以图像编号为横坐标，灰度方差函数值为纵坐标绘制灰度方差函数变化曲线，根据最小二乘法原则，用二次曲线拟合灰度方差函数(图3a)并确定其最大值的相应图像编号即顶点所在位置的图像编号n_id。移动CCD探测器4到微透镜阵列3焦点附近，两次采集图像时CCD探测器4移动的距离l一般为微透镜阵列3设计的焦距即理想焦距，同样分析可确定焦距所在位置的图像编号n_ij。根据焦距计算公式：微透镜阵列3的设计焦距为8mm，图3a中顶点位置为11，而图3b中显示焦点位置为10，计算该子单元的焦距为7.98mm。利用软件分析原图像的其它子单元的灰度方差函数变化曲线，同样可计算出相应的焦距值，因此，本发明方法一次图像采集可完成多个子单元的焦距测量，具有较高的检测效率，适用于单元数较多的微透镜阵列3检测。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims

1.一种检测微透镜阵列焦距的方法，利用由单色仪、平行光管、微透镜阵列、CCD探测器和光栅测微仪组成的检测系统，通过确定微透镜阵列的焦点和顶点位置，实现焦距测量的步骤如下：

步骤4：计算微透镜阵列的各个子单元的焦距f_ef为：

f_ef＝(n_id-n_ij)×s+l

2.根据权利要求1所述的检测微透镜阵列焦距的方法，其特征是：利用Matlab软件分析每组图像，确定对应子单元的顶点和焦点位置的编号，利用Matlab软件中的regionprops函数确定图像上微透镜阵列的各个子单元光斑的中心；截取图像上所述各个子单元查过其艾丽斑的范围进行灰度方差计算；利用Matlab的绘图功能分别绘制不同所述子单元的顶点和焦点附近的灰度方差变化曲线；通过曲线的变化趋向确定微透镜阵列的各个子单元的顶点和焦点位置的图像编号。

3.根据权利要求1所述的检测微透镜阵列焦距的方法，其特征在于，基于数字图像清晰度函数对微透镜阵列的顶点和焦点进行定焦的步骤为：将采集的每组图像按微透镜阵列光斑的分布截取分析，得到微透镜阵列的第i个子单元的灰度方差G_i表示为：

为灰度平均值，以采集图像的编号为横坐标，以相应图像灰度方差值为纵坐标，绘制所述各个子单元的灰度方差变化曲线，灰度方差最大值点表明该处采集的图像最清晰。