CN104019963B - 面光源虚像距测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面光源虚像距测量装置，设置在由面光源发出的光束经过改变光线传播方向的透镜系统后具有一定出光角度的出光角光束的光路上，其特征在于，包括:聚焦物镜，用于接收出光角光束并对接收到的出光角光束进行成像，设置在透镜系统的出口处；遮光板，设置在聚焦物镜表面上，包含关于聚焦物镜的中心相对称的两条细缝；以及接收显像屏。本发明所涉及的面光源虚像距测量装置及其方法，出光角光束通过面光源虚像距测量装置后，接收显像屏上接收到光带显出该光带的光斑图像，使得接收显像屏上形成相同效果的光斑图像，两次相同效果的光斑对称的位置被记录，代入虚像距计算公式，计算得出更精确的虚像距。

Description

面光源虚像距测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，具体涉及一种面光源虚像距测量装置及其方法。

背景技术

光源是光学领域中最常用的设备之一，在一些特殊的照明光学系统中，光源对整个系统而言不能仅仅简单地视为点光源。实际应用中的面光源被光学系统在远距离处成一定大小的虚光源，以满足整个光学系统对出光角度和照度等设计要求。在这种光学系统中，经过光学系统发出的光束的口径大，在子午和弧矢两个方向上有不同的出光角度，且子午方向上的出光角度很小，整个光束的虚像距较远，造成对光束的识别比较困难。因此，虚像距的测量对整个光学系统的分析有着重要作用。目前，传统的虚像距测量是通过一个大的反射镜将光源发出的出射光束成像，从而测出虚光源经过反射镜后的成像位置，然后根据反射球面成像公式计算求出虚光源位置。但是实际面光源经过光学系统之后，在光学系统后方远距离处成放大的虚像即虚光源，虚光源的结构和体积都较大，当用反射镜测量时，成像光斑的边界较为模糊，选取最小光斑时具有相当大的不确定性，测量出的像距误差较大，难以保证其测量精度，导致计算出来的虚像距的误差较大。且这种测量方法所采用的测量装置具有价格昂贵、使用条件要求较高、移动性较差等缺点。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种精确测量虚像距的面光源虚像距测量装置及其方法。

本发明提供了一种面光源虚像距测量装置，设置在由面光源发出的光束经过改变光线传播方向的透镜系统后具有一定出光角度的出光角光束的光路上，其特征在于，包括:聚焦物镜，用于接收出光角光束并对接收到的出光角光束进行成像，设置在透镜系统的出口处，聚焦物镜的像方焦距值是聚焦物镜直径值的十倍以上；遮光板，设置在聚焦物镜表面上，包含关于聚焦物镜的中心相对称的两条细缝；以及接收显像屏，用于接收出光角光束通过遮光板和聚焦物镜后形成的光带从而显像出光斑，设置在聚焦物镜背离面光源的一侧，其中，聚焦物镜的直径大于透镜系统的出口口径，接收显像屏的直径大于聚焦物镜的直径。

在本发明所提供的面光源虚像距测量装置中，还具有这样的特征，还包括：导轨，设置在接收显像屏与聚焦物镜之间，用于调节固定接收显像屏与聚焦物镜之间的距离，接收显像屏设置在导轨上。

另外，本发明还提供一种使用上述的面光源虚像距测量装置的面光源虚像距测量方法，将面光源虚像距测量装置设置在由面光源发出的光束经过改变光线传播方向的透镜系统后具有一定出光角度的出光角光束的光路上，其特征在于，包括：测定第一光带位置步骤，调节接收显像屏与聚焦物镜之间的距离，使接收显像屏得到清晰的两明一暗的第一光斑图像，记录该第一光斑图像形成时接收显像屏所在的第一光带位置，测得聚焦物镜与第一光带位置之间的距离为l₁，以及标记第一光斑图像在接收显像屏上的第一光斑位置；测定第二光带位置步骤，继续移动接收显像屏，使接收显像屏得到与第一光斑图像效果相同的第二光斑图像，记录该第二光斑图像形成时接收显像屏所在的第二光带位置，以及测得第一光带位置与第二光带位置之间的距离为x₁；计算虚像距步骤，虚像距是沿出光角光束传播的相反方向汇聚得到的虚光源到透镜系统的出口之间的距离，根据聚焦物镜的物方焦点到聚焦物镜的物方主点与其像方焦点到聚焦物镜的像方主点的乘积等于物到物方焦点的距离与像到像方焦点的距离的乘积即牛顿公式，虚像距s，推导出虚像距计算公式s＝ff'/(x₁/2+l₁-f')-f'+d，将已知的聚焦物镜的物方焦距f、像方焦距f'、透镜系统的出口到聚焦物镜的距离d、接收显像屏与聚焦物镜之间的距离为l₁和第一光带位置与第二光带位置之间的距离x₁代入该虚像距计算公式，计算得到虚像距s。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的面光源虚像距测量装置及其方法，面光源发出的光束经过透镜系统后形成出光角光束，出光角光束通过面光源虚像距测量装置后，接收显像屏上接收到光带显出该光带的光斑图像，使得接收显像屏上形成相同效果的光斑图像，两次相同效果即位置光亮程度相同的光斑对称的位置被记录，能够更准确的得到像到像方焦点的距离，代入虚像距计算公式，计算得出更精确的虚像距，从而能够提高面光源的虚像距测量的准确度。基于面光源虚像距测量装置的面光源虚像距测量方法具有测得的虚像距准确度高的优点。

附图说明

图1是本发明实施例中的面光源虚像距测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的面光源虚像距测量装置遮光板平面示意图；

图3是本发明实施例中的基于面光源虚像距测量结构的测量示意图；

图4是本发明实施例中的基于面光源虚像距测量结构的观察示意图；以及

图5是本发明实施例中的基于面光源虚像距测量结构的第一光斑图像效果示意图。

具体实施案例

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所涉及的面光源虚像距测量装置及其方法作具体阐述。

<实施例>

图1是本发明实施例中的面光源虚像距测量装置的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中的面光源虚像距测量装置100包括：平行光管1、遮光板2、接收显像屏3和导轨4。平行光管1包含镜管11和聚焦物镜12。

镜管11具有入射口端侧部11a、可调节长度的出射口端侧部11b和调节旋钮11c。

聚焦物镜12是圆形状凸透镜，设置在入射口处端侧部11a处，该聚焦物镜12中心与镜管11的中心轴共线，该聚焦物镜12具有物方焦点和像方焦点。聚焦物镜12像方焦距f'为2m。

接收显像屏3为毛玻璃观察屏，设置在出射口端侧部11b的外侧并且安装在导轨4上，接收出光角光束通过遮光板2和平行光管1后形成的光带从而显像出光斑图像。

导轨4设置在接收显像屏3与平行光管1之间。接收显像屏3可沿着导轨4接近或远离出射口端侧部11b，从而调节接收显像屏3与聚焦物镜12的距离。

图2是本发明实施例中的面光源虚像距测量装置的遮光板平面示意图。

如图2所示，在本实施例中的遮光板2包含细缝2a和细缝2b。遮光板2为圆形状且直径稍大于聚焦物镜12的直径，由于平行光管1结构的限制，遮光板被设置在聚焦物镜12靠近面光源的一侧面上。

细缝2a和细缝2b的缝的宽度都为1mm且缝的边缘整齐无毛刺，细缝2a和细缝2b关于聚焦物镜12的中心相对称，具体在本实施例中，细缝2a在遮光板2的上端部，细缝2b在遮光板2的下端部。

图3是本发明实施例中的基于面光源虚像距测量结构的测量示意图。

如图3所示，在本实施例中的面光源虚像距测量方法基于面光源虚像距测量装置进行测量,面光源O发出的光束经过透镜系统L，该透镜系统L用于改变光线传播方向，因此光束经过透镜系统L后形成出光角光束，出光角光束具有一定出光角度。

图5是本发明实施例中的基于面光源虚像距测量结构的第一光斑图像效果示意图。

如图5所示，在本实施例中的根据面光源虚像距测量方法在接收显像屏3得到的第一光斑图像31是两条亮条纹和中间的一条暗条纹，在接收显像屏3上分别标记第一光斑图像31的亮条纹和暗条纹的中心线31a。

第二光斑图像所呈现出的效果与第一光斑图像效果相同都为图5中所示的效果图，在此省略同样说明。

测定第一光带位置步骤：调节出射口端侧部11b的长度，并且调节接收显像屏3与出射口端侧部11b之间的距离，将接收显像屏3紧贴在出射口端侧部11b处，使接收显像屏3得到如图5所示的第一光斑图像31，记录该第一光斑图像31形成时接收显像屏3所在的第一光带位置A，测得聚焦物镜12到第一光带位置A的距离l₁，以及标记第一光斑图像31在接收显像屏3上的第一光斑位置。

测定第二光带位置步骤，继续移动接收显像屏3，使接收显像屏3得到与第一光斑图像31效果相同的第二光斑图像，在此省略第二光斑图像说明，记录该第二光斑图像形成时接收显像屏3所在的第二光带位置B，以及测得第一光带位置A与第二光带位置B之间的距离为x₁。

计算虚像距步骤，虚像距是沿出光角光束传播的相反方向汇聚得到的虚光源X到透镜系统L的出口之间的距离,根据牛顿公式，推导出虚像距计算公式，根据聚焦物镜12的物方焦距f、像方焦距f'和透镜系统L的出口到聚焦物镜12的距离d、聚焦物镜到第一光带位置的距离l₁以及第一光带位置A与第二光带位置B之间的距离x₁代入虚像距计算公式，然后通过计算得到虚像距。

图4是本发明实施例中的基于面光源虚像距测量结构的观察示意图。

如图4所示，图4中省略面光源虚像距测量装置中的镜管11和导轨4，本实施例中的第一光斑图像31和第二光斑图像是通过接收显像屏3被使用者观察。使用者的视线与第一光斑图像31的中心线31a平行。

本实施例中，在面光源虚像距测量装置100中：镜管入射口端侧部11a的管口直径为170mm，大于透镜系统L的出口口径，入射口端侧部11a接收到透镜系统L的出口垂直方向射出的所有光束；镜管1的长度调节范围是1765mm～2025mm,在焦深长度内可接收显像屏移动接收出光角光束到呈现出相同的观测效果图即第一光斑图像和第二光斑图像。面光源虚像距测量装置100中的镜管11的中心轴与垂直于透镜系统L的出口面且过透镜系统L的出口中心的垂直线相共线，使平行光管1可以接受到通过透镜系统L的出口垂直面射出的所有光束。

首先面光源O发出光束，光束经过透镜系统L后形成出光角光束。透镜系统L的出口到聚焦物镜12的距离为d。沿出光角光束传播的相反方向汇聚得到虚光源X。

当出光角光束射到遮光板2时，由于遮光板2如图2所示形状与聚焦物镜12的形状相同并且遮光板2直径稍大于聚焦物镜12的直径，遮光板2尽可能多地接收从透镜系统L的出口射出的出光角光束。遮光板2上的细缝2a和细缝2b关于聚焦物镜12的中心对称，细缝2a和细缝2b的缝宽都是1mm，细缝的宽度尽量窄，长度不宜太长，让光线有明显的偏折，使弧矢分量即光线水平方向分量不会太多，可以更好的识别光束，同时消除杂光的影响。

当出光角光束经过聚焦物镜12时，聚焦物镜12通过细缝2a和细缝2b接收到的两束边缘处的出光角光束，将该出光角光束形成光源像x，即为虚光源X经过聚焦物镜12所形成的像。

然后进行测定第一光带位置步骤，镜管1的原始长度值与聚焦物镜12的像方焦距f'相等。先调节镜管11的调节旋钮11c，将镜管11的出射口端侧部11b向内缩短一定距离，再将接收显像屏3紧贴镜管1的出射口端侧部11b，这样可以保证接收显像屏3在聚焦物镜12的像方焦距范围内。当看到如图5所示的两条亮条纹和中间一条暗条纹的第一光斑图像31时，则在接收显像屏3上分别画出该两条亮条纹和暗条纹的中心线31a，第一光斑图像31在接收显像屏3上的位置即为第一光斑位置。固定接收显像屏3，记录此时接收显像屏3在导轨4上的位置A以及记录聚焦物镜到第一光带位置A的距离l₁。

进一步地，进行测定第二光带位置步骤，继续移动接收显像屏3到位置B，同样观察到两条亮条纹和中间的一条暗条纹关于上一步骤画出的中心线31a一一对称分布的第二光斑图像时，记录此时接收显像屏3在导轨4上的第二光带位置B。测量接收显像屏3在导轨4上从A位置移动到B位置的距离为x₁。

最后，进行计算虚像距步骤，已知的牛顿公式是根据牛顿公式是透镜的物方焦点到透镜的物方主点与其像方焦点到透镜的像方主点的乘积等于物到物方焦点的距离与像到像方焦点的距离的乘积。虚像距用s表示。根据聚焦物镜12的物方焦距f、像方焦距f'和透镜系统L的出口到聚焦物镜12的距离d、聚焦物镜到第一光带位置A的距离l₁以及第一光带位置A与第二光带位置B之间的距离x₁，得到出(x₁/2+l₁-f')是像x到像方焦点的距离，ff'/(x₁/2+l₁-f')是虚光源X到物方焦点的距离，其中f＝-f'，推导得到出虚像距计算公式s＝ff'/(x₁/2+l₁-f')-f'+d。将已知的聚焦物镜的物方焦距f、像方焦距f'、透镜系统L的出口到聚焦物镜12的距离d、聚焦物镜到第一光带位置A的距离l₁以及第一光带位置A与第二光带位置B之间的距离x₁代入该虚像距计算公式，通过计算得到虚像距s。

实施例的作用与效果

根据本发明所涉及的面光源虚像距测量装置及其方法，面光源发出的光束经过透镜系统后形成出光角光束，出光角光束通过面光源虚像距测量装置后，接收显像屏上接收到光带显出该光带的光斑图像，使得接收显像屏上形成相同效果的光斑图像，两次相同效果即位置光亮程度相同的光斑对称的位置被记录，能够更准确的得到像到像方焦点的距离，代入虚像距计算公式，计算得出更精确的虚像距，从而能够提高面光源的虚像距测量的准确度。基于面光源虚像距测量装置的面光源虚像距测量方法具有测得的虚像距准确度高的优点。

在本实施例中的面光源虚像距测量装置具有结构简单、设计合理、便于移动并且成本低的优点。

在本实施例中的镜管，在进行测定第一光带位置步骤时，将接收显像屏紧贴镜管的出射口端侧部，通过调节镜管的出射口端侧部的长度，从而确定第一光带位置。通过调节镜管的出射口端侧部长度可以更方便快捷的确定第一光带位置。

在本实施例中的遮光板具有两条细缝，可以滤去边缘杂光的影响。面光源虚像距测量方法通过观察接收显像屏上出现相同效果的第一光斑图像和第二光斑图像，根据第一光斑图像和第二光斑图像来定位虚光源经过平行光管聚焦物镜所成像的位置，采用观测两次对称性同样效果的第一光斑图像和第二光斑图像来提高测量灵敏度，根据两次测量中接收显像屏在导轨上移动的距离来计算出面光源经过光学系统的虚像距。也可以选择使用多组细缝间距不同的遮光板，并且多次成像，将多次测量得到的第一光带位置与第二光带位置之间的距离取平均值，将该平均值带入虚像距计算公式中，计算得到虚像距。可以降低光学系统的误差，使得虚像距更精确。

在本实施例中的聚焦物镜焦距为2m，该聚焦物镜焦距越长，景深越短，焦深越长，这样在接收显像屏与出射口端侧部之间的距离有较长的一段深度都可以观察到清晰的光斑图像，减少视觉误差导致不能准确定第一光带位置和第二光带位置的问题，从而减小虚像距的误差。但聚焦物镜焦距不能过长也不能过短，焦距过长导致焦深过长，成像效果不敏感，焦距过短则会导致计算出的虚像距误差较大。

在本实施例中的导轨，将接收显像屏设置在导轨上，接收显像屏与导轨垂直，可沿导轨靠近或远离镜管的出射口端侧部，从而简单方便的确定第一光带位置和第二光带位置。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

聚焦物镜也不仅限为优选案例中的凸透镜，也可以采用反射镜，也同样根据面光源虚像距测量方法进行虚像距的测量。

Claims (3)

1.一种面光源虚像距测量装置，设置在由面光源发出的光束经过改变光线传播方向的透镜系统后具有一定出光角度的出光角光束的光路上，其特征在于，包括:

聚焦物镜，用于接收所述出光角光束并对接收到的所述出光角光束进行成像，设置在所述透镜系统的出口处，所述聚焦物镜的像方焦距值是所述聚焦物镜直径值的十倍以上；

遮光板，设置在所述聚焦物镜表面上，包含关于所述聚焦物镜的中心相对称的两条细缝；以及

接收显像屏，用于接收所述出光角光束通过所述遮光板和所述聚焦物镜后形成的光带从而显像出光斑，设置在所述聚焦物镜背离所述面光源的一侧，

其中，所述聚焦物镜的直径大于所述透镜系统的出口口径，

所述接收显像屏的直径大于所述聚焦物镜的直径。

2.根据权利要求1所述的面光源虚像距测量装置，其特征在于,还包括：

导轨，设置在所述接收显像屏与所述聚焦物镜之间，用于调节固定所述接收显像屏与所述聚焦物镜之间的距离，

所述接收显像屏设置在所述导轨上。

3.一种使用如权利要求1中的面光源虚像距测量装置的面光源虚像距测量方法，将所述面光源虚像距测量装置设置在由面光源发出的光束经过改变光线传播方向的透镜系统后具有一定出光角度的出光角光束的光路上，其特征在于，包括：

测定第一光带位置步骤，调节所述接收显像屏与所述聚焦物镜之间的距离，使所述接收显像屏得到清晰的两明一暗的第一光斑图像，记录该第一光斑图像形成时所述接收显像屏所在的第一光带位置，测得所述聚焦物镜与所述第一光带位置之间的距离为l₁，以及标记所述第一光斑图像在所述接收显像屏上的第一光斑位置；

测定第二光带位置步骤，继续移动所述接收显像屏，使所述接收显像屏得到与所述第一光斑图像效果相同的第二光斑图像，记录该第二光斑图像形成时所述接收显像屏所在的第二光带位置，以及测得所述第一光带位置与所述第二光带位置之间的距离为x₁；

计算虚像距步骤，所述虚像距是沿所述出光角光束传播的相反方向汇聚得到的虚光源到所述透镜系统的出口之间的距离，根据聚焦物镜的物方焦点到聚焦物镜的物方主点与其像方焦点到聚焦物镜的像方主点的乘积等于物到物方焦点的距离与像到像方焦点的距离的乘积即牛顿公式，虚像距s，推导出虚像距计算公式s＝ff'/(x₁/2+l₁-f')-f'+d，将已知的所述聚焦物镜的物方焦距f、像方焦距f'、所述透镜系统的出口到所述聚焦物镜的距离d、所述接收显像屏与所述聚焦物镜之间的距离为l₁和所述第一光带位置与所述第二光带位置之间的距离x₁代入该虚像距计算公式，计算得到虚像距s。