CN105547653A - 一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法 - Google Patents

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程依光
刘俊伯
邓钦元
邓茜
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杨勇
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    • G01M11/0271—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by using interferometric methods

Abstract

本发明公开了一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，利用光栅结构产生莫尔条纹结构的机理，将双远心镜头倍率的大小转化为莫尔条纹的周期测量，通过一系列相位提取及相位解析方式计算出莫尔条纹的周期大小，然后根据相关公式反算出被测双远心镜头的倍率。在双远心镜头倍率测量过程中，光源通过光阑和准直镜后入射到光栅G1上，经过被测双远心镜头，然后成像到光栅G2位置，两组光栅标记经过空间成像后重叠在一起形成莫尔条纹分布，最后成像到CCD(Charge？Coupled？Device)。通过最后得到的莫尔条纹，通过一系列相位提取及相位解析方式计算出莫尔条纹的周期大小，进而反演算出被测双远心镜头的倍率。本方法具有测量精度高，测量范围广，实用性强等特点。

Description

一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法
技术领域
本发明属于光学测量工程的技术领域，具体涉及一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法。
背景技术
随着光学工程技术的快速发展，对光学系统的精度要求也越来越高，其中对各种镜头系统倍率的标定也显得格外重要。而双远心镜头作为光学系统中常用的镜头系统之一，在光学成像中具有重要的意义，双远心镜头理论上可以在很长距离处保持一个固定放大倍数，并且具有高分辨率，误差扭曲小等特点。常常运用于3D形貌检测，管道检测等领域中。目前测量镜头倍率通常是通过针尖标定，也有通过线性模拟适应方法的，但是目前的测量标定方法都有些复杂而且精度还有待提高。而通过莫尔干涉条纹的方法来标定双远心镜头系统的倍率，具有高精度，大测量范围，无损伤等特点，通过一系列相位提取及相位解析方式后，最后测定镜头系统的倍率精度可以达到0.1％，对于双远心镜头系统倍率的标定具有重要意义。
美国专利US4741617(A)在1988年公布了一种光学设备用于测量镜头实际倍率，该专利设备中包括一个含有物镜的光学系统，通过一个十字线标记来标定被测镜头的倍率大小。同时，中国专利CN103217275(A)在2013年公布了一种利用单个光栅来测量显微镜头倍率的方法，通过被测显微镜头，单个已知周期光栅成像于屏幕上，通过相位算法计算出实际获取光栅的周期大小，然后通过对比测量出显微镜头的实际倍率。但是上述方法中，一方面花费较大，另一方面系统复杂且标定精度有待提高。
由于国内外目前在对镜头倍率的标定中，方法不多而且测量成本高，精度低。寻找一种系统简单，精度高，成本低的镜头倍率的标定手段，对于现在的光学工程应用，特别是光学成像系统中有很关键的作用。在光学成像系统中，双远心镜头系统起着十分重要的作用，要实现原理简单，成本较低，工程化容易的高精度双远心镜头倍率方法仍然是目前国内外需要继续突破的难题。
发明内容
为了解决上述难题，本发明设计了所述的一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，可以实现高精度测量，精度可以达到0.1％。
本发明采用的技术方案为：一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，在镜头倍率测量过程中，光源通过光阑和准直镜后，入射到光栅G1上，平面波经过被测双远心镜头，然后成像到光栅G2位置，两组光栅标记经过空间成像后重叠在一起形成莫尔条纹分布，最后被CCD采集系统捕获传送到计算机进行图像处理，通过分析CCD所采集的莫尔条纹确定当前莫尔条纹的周期大小，从而反演得到被测双远心镜头的倍率大小。
其中，光栅G1经过一个双远心系统后，通过调节光栅G2的沿光轴方向的位置，在理想光学系统前提下光栅G1可以成像与光栅G2完全重合。
其中，所用的两个光栅G1和G2均是分为上下两个部分，并且拥有不同的周期。光栅G1的上半部分周期大小为p1，下半部分周期大小为p2，照明光透过光栅G1后，再经过被测双远心镜头(假设被测双远心镜头倍率为ρ)，然后成像到光栅G2位置，光栅G2的上半部分周期大小为p2，下半部分周期大小为p1，光栅G2可通过光栅G1倒置得到。
其中，利用双远心镜头的倍率的不同大小，通过光栅G1和光栅G2形成的莫尔条纹，通过莫尔条纹的放大作用，检测计算出莫尔条纹的周期大小即可反推双远心镜头系统实际倍率大小，获得较高的精度。
其中，利用双远心镜头的倍率的不同大小，通过光栅G1和光栅G2形成的莫尔条纹，通过莫尔条纹的放大作用，检测计算出莫尔条纹的周期大小即可反推双远心镜头系统实际倍率大小，获得较高的精度。
其中，莫尔条纹具有周期放大的功效，更容易测量出双远心镜头倍率的实际大小，但为了满足高精度检测的要求，仍需要精确的相位解析精度，在莫尔条纹频域分析过程中，需要从数字信号处理的角度分析各种误差的原因以及相应的补偿措施。
其中，进行莫尔条纹周期测量过程中，误差波动都在10nm以内，通过一系列相位提取及相位解析方式后，最后测定镜头系统的倍率精度可以达到0.1％。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明通过光栅G1和光栅G2形成最后的莫尔条纹，经过一系列的反推算法得到最后的倍率测量结构，相比目前有的测量方法，该测量系统原理简单，系统结构也相对简单，具有很强的实用性；
(2)、本发明中，对双远心镜头系统倍率的测量精度可以达到0.1％，相比其他方式拥有更高的测试精度，而且能实现大范围测量。
附图说明
图1为本发明一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法系统结构图；
图2为测量系统所需的两个光栅结构示意图，其中，图(a)为光栅标记G1；图(b)为光栅标记G2；
图3为被测双远心镜头倍率在不同数值时仿真得到的莫尔条纹图像，其中，图(a)为双远心镜头倍率是0.990时的莫尔条纹图像，图(b)为双远心镜头倍率是0.980时的莫尔条纹图像，图(c)为双远心镜头倍率是0.950时的莫尔条纹图像，图(d)为双远心镜头倍率是0.920时的莫尔条纹图像。
具体实施方式
下面结合附图以及理论推导对本发明具体实施方式进行详细说明。
该基于莫尔条纹周期分析的双远心镜头倍率测量方法，测量中通过检测上下两组莫尔条纹的周期大小，可以拥有很高的测量灵敏性和检测精度。
首先采用633nm的照明光，通过扩束准直镜处理后，再透过光阑，然后将633nm的照明光投射到光栅G1上。
光栅G1的上半部分周期大小为p1，下半部分周期大小为p2，照明光透过光栅G1后，再经过被测双远心镜头(双远心镜头倍率为ρ)，然后成像到光栅G2位置，光栅G2的上半部分周期大小为p2，下半部分周期大小为p1。这样如果理想光学系统前提下就可以与检测光栅G2完美重合，两组光栅标记重叠在一起形成莫尔条纹分布。
正是由于双远心镜头倍率ρ的影响，透过镜头后成像到光栅G2时，光栅G1的等效周期相当于p1'＝ρp1，p'2＝ρp2，通过CCD成像镜头可以得到最后形成的莫尔条纹，根据莫尔干涉理论，可以得出两组光栅标记像重合时形成的莫尔条纹上半部分周期表达如式(1)，
其中，p上半部分表示得到莫尔条纹上半部分的周期大小，ρ为被测双远心镜头倍率。
所得莫尔条纹下半部分周期表达如式(2)，
其中，p下半部分表示得到莫尔条纹下半部分的周期大小，这样通过莫尔条纹的周期大小即可反推算出被测双远心镜头倍率的大小，同时利用上下两个公式得到倍率大小后求平均值，更增加了本方法的灵敏性。
本发明中，主要的器件包括：633nmLED光源，扩束准直系统，光栅标记，被测双远心镜头系统，CCD成像镜头以及计算机等。
本发明中，照明光源为LED，波长为633nm，实际测量过程中，亮度可通过改变调节电路进行灵活变化。
本发明中，利用L-Edit设计了2组不同周期组合而成的光栅标记，采用的光栅G1上半部分周期p1为6μm,下半部分周期p2为6.6μm。光栅G2上半部分周期p2为6.6μm,下半部分周期p1为6μm。
本发明中，CCD成像镜头用于莫尔条纹成像的CCD镜头采用灿锐同轴光照明远心镜头(XF-T4X65D)，其主要技术参数如表2所示：
表1CCD成像镜头主要技术参数
光学放大倍率 4×
分辨力 4.2μm
焦深 200μm
工作距 65mm
TV失真 0.05％
本发明中，采用633nm照明光源，经过扩束准直系统后透过光阑，照射到光栅G1上，经过被测双远心系统后成像到光栅G2位置，如果理想光学系统前提下就可以与光栅G2完美重合，系统结构图如图1所示。
本发明中，采用上下象限不同周期的光栅，通过光栅标记G1和光栅标记G2产生莫尔条纹。其中光栅标记G1和光栅标记G2结构如图2所示，光栅上下部分分别具有不同的周期值。
通过CCD图像采集器获到形成的莫尔条纹后，需要通过一系列的频域处理消减噪声对结果的影响。莫尔条纹频域分析过程中，汉宁窗对于旁瓣的抑制效果，减小了频谱泄漏所引入的干扰。另一方面，由于汉宁窗较矩形窗主瓣宽度有所增加，因此在频谱的宽度有所增加。综合考虑，汉宁窗在频谱泄漏的补偿方面具有明显优势，故本方法采用汉宁窗截取信号进行相位解析。
然后对莫尔条纹进行相位分析处理，利用软件matlab进行分析计算，最终得出莫尔条纹上下部分的周期大小，然后根据公式(1)，(2)最后反演算出被测双远心镜头的倍率。
本发明中，当被测双远心镜头倍率在不同数值时，利用本发明测量方法，得到的最终莫尔条纹图像也不同，如图3所示。当被测双远心镜头倍率有不同的实际数值时，分别得到不同的莫尔条纹图像，并且能发现上下部分由明显的条纹交叉，也正是由于被测双远心镜头倍率导致得到的莫尔条纹上下周期不等。
基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法,一方面能实现系统结构简单，实用性强,另一方面到达很高的测量精度。
当然，在本例中，对于两个光栅标记的加工精度要求都很严格，光栅参数也需要严格控制在一定误差范围内，对于解析算法也要不断优化，对测量环境也需不断提升，才能不断提高最终测量精度。

Claims (6)

1.一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，其特征是：在镜头倍率测量过程中，光源通过光阑和准直镜后，入射到光栅G1上，平面波经过被测双远心镜头，然后成像到光栅G2位置，两组光栅标记经过空间成像后重叠在一起形成莫尔条纹分布，最后被CCD采集系统捕获传送到计算机进行图像处理，通过分析CCD所采集的莫尔条纹确定当前莫尔条纹的周期大小，从而反演得到被测双远心镜头的倍率大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，其特征是：光栅G1经过一个双远心系统后，通过调节光栅G2的沿光轴方向的位置，在理想光学系统前提下光栅G1可以成像与光栅G2完全重合。
3.根据权利要求1所述的一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，其特征是：所用的两个光栅G1和G2均是分为上下两个部分，并且拥有不同的周期；光栅G1的上半部分周期大小为p1，下半部分周期大小为p2，照明光透过光栅G1后，再经过被测双远心镜头，然后成像到光栅G2位置，光栅G2的上半部分周期大小为p2，下半部分周期大小为p1，光栅G2可通过光栅G1倒置得到。
4.根据权利要求1所述的一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，其特征是：利用双远心镜头的倍率的不同大小，通过光栅G1和光栅G2形成的莫尔条纹，通过莫尔条纹的放大作用，检测计算出莫尔条纹的周期大小即可反推双远心镜头系统实际倍率大小，获得较高的精度。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，其特征是：莫尔条纹具有周期放大的功效，更容易测量出双远心镜头倍率的实际大小，但为了满足高精度检测的要求，仍需要精确的相位解析精度，在莫尔条纹频域分析过程中，需要从数字信号处理的角度分析各种误差的原因以及相应的补偿措施。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，其特征是：进行莫尔条纹周期测量过程中，误差波动都在10nm以内，通过一系列相位提取及相位解析方式后，最后测定镜头系统的倍率精度可以达到0.1％。
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