CN107144420B - 光学镜头像差检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学技术领域，公开了一种光学镜头像差检测装置，包括：光学镜头像差检测装置，包括：点光源、镜头固定爪、狭缝板及靶纸，所述镜头固定爪位于点光源和靶纸之间，狭缝板安装在镜头固定爪面向靶纸的一侧，狭缝板上设有长条形狭缝，所述长条形狭缝的宽度为d，长度为nd，n为正数，所述靶纸上设有若干横线、纵线形成的网格，还公开了一种光学镜头像差检测方法。本发明的光学镜头像差检测装置结构简单，检测方法简单易行，可在生产现场随时进行检测。

Description

光学镜头像差检测装置及方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种光学镜头像差检测装置及方法。
背景技术
实际光学系统所成的像都不可能完全符合理想成像计算结果，尤其是几何光学的理论成像计算结果，所谓像差也就是实际光学系统和理想光学系统成像的差别。像差的大小也就代表了光学系统成像质量的优劣。单色像差主要分为球差、慧差、像散、像面弯曲和畸变，当光学系统采用一定谱宽的光源成像时还会产生位置色差和倍率色差等。
检测光学镜头的像差方法主要分为2种：平行光管法和干涉仪法。
平行光管法：平行光管是通过它取得来自无限远的光束，此光束谓之平行光。是装校调整光学仪器的重要工具，也是光学量度仪器中的重要组成部分，配用不同的分划板，连同测微目镜头，或显微镜系统，则可以测定透镜组的焦距，鉴别率，及其他成像质量。
干涉仪法：干涉仪是很广泛的一类实验技术的总称，其思想在于利用波的叠加性来获取波的相位信息。以泰曼干涉仪为例，泰曼干涉仪被普遍用来检验平板、棱镜和透镜等光学元件的质量。在泰曼干涉仪的一个光路中放置待检查的平板或棱镜，平板或棱镜的折射率或几何尺寸的任何不均匀性必将反映到干涉图样上。若在光路中放置透镜，可根据干涉图样了解由透镜造成的波面畸变，从而评估透镜的波像差。
这2种方法都有一个共同缺点，设备尺寸较大，通常仪器本身尺寸在0.5米以上，测量光路直线长度在1米以上，测量前需要精确的调整光线角度，通常需要专用的抗震检测平台和专业训练的检测人员，通常不能在生产现场检测和临时排查故障。
发明内容
本发明提出一种光学镜头像差检测装置及方法，解决了现有技术的专业设备体积大、操作难度高及无法在生产现场测量的问题。
本发明的一种光学镜头像差检测装置，包括：点光源、镜头固定爪、狭缝板及靶纸，所述镜头固定爪位于点光源和靶纸之间，狭缝板安装在镜头固定爪面向靶纸的一侧，狭缝板上设有长条形狭缝，所述长条形狭缝的宽度为d，长度为nd，n为正数，所述靶纸上设有若干横线、纵线形成的网格。
其中，狭缝板可旋转地安装在镜头固定爪面向靶纸的一侧。
其中，所述点光源的出光端设有可拆卸插入滤镜的卡口。
其中，所述狭缝宽度d为0.5～5毫米，n为4～10。
本发明还提供了一种利用上述任一项光学镜头像差检测装置的光学镜头像差检测方法，包括步骤：
S1：将待测镜头固定在镜头固定爪上，保证狭缝中心点及点光源位于所述镜头的轴线上；
S2：当镜头的物距为无穷大时，调节所述点光源距所述镜头中心的距离为镜头焦距的5～10倍，当镜头的物距为固定值时，调节所述点光源距所述镜头中心的距离为所述固定值，调节靶纸位于所述镜头的焦距处；
S3：打开点光源，在靶纸上形成若干光斑，根据靶纸上的网格判断，若主光斑长度和宽度的比值等于n:1，则认为nd毫米的口径内的像差小于λ/4，像差为可接受范围，λ为光的波长。
其中，步骤S3之前还包括在点光源的出光端插入滤镜，所述滤镜中心位于所述镜头的轴线上。
其中，步骤S3的检测过程中，还包括旋转调节狭缝板，以测量旋转后主光斑的长度和宽度。
本发明的光学镜头像差测量装置结构简单，测量方法简单易行，可在生产现场随时进行测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种光学镜头像差检测装置结构示意图；
图2为靶纸上光斑示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例的一种光学镜头像差测量装置，包括：点光源、镜头固定爪2、狭缝板3及靶纸4，其中，点光源可通过普通光源11的出光端贴上小孔光阑12形成，或是小LED光源。镜头固定爪2位于点光源和靶纸4之间，狭缝板3固定在镜头固定爪2面向靶纸4的一侧。狭缝板3上设有长条形狭缝，所述长条形狭缝的宽度为d，长度为nd，n为正数，即狭缝长度为宽度n倍以上。靶纸4上设有若干横线、纵线形成的网格，用于测量其上形成光斑的宽度。
本实施例的测量装置利用衍射效应简易检测几何光学像差，有瑕疵的光学系统中，几何光学像差引起的光斑变化往往远大于衍射效应，但在正常的光学系统中，几何光学像差引起的光斑变化往往远小于衍射效应。测量时将镜头6夹持在镜头固定爪2上，保证狭缝的中心点及点光源位于镜头6的轴线上。由于物方光源距离镜头入瞳(指镜头的等效主面)在5～10倍以上焦距时，其成像效果可以近似等效为无穷远处，因此当镜头6的物距为无穷大时，调节点光源距镜头6中心的距离为镜头6焦距的5～10倍，当镜头6的物距为固定值时，调节点光源距镜头中心的距离为该固定值。点光源发出的光经过镜头6及狭缝后在靶纸4上形成若干光斑(包括主光斑和次光斑)，根据靶纸4上的网格判断，若主光斑长度和宽度的比值等于n:1，则认为nd毫米的口径内的像差小于λ/4，像差为可接受范围，λ为光的波长。
上述结论基于矩形光斑的远场夫琅禾费衍射公式，该公式为：
Figure BDA0001279296950000041
其中
Figure BDA0001279296950000042
其中θ1,θ2表示靶纸面上一特定位置相对于光线的主光线X轴方向，Y轴方向的光线夹角，线性对应于靶纸上的X方向和Y方向的距离；其中a为通光狭缝X方向宽度(对应上的狭缝宽度d，即狭缝短边方向)，b为通光矩形Y方向宽度(对应上的狭缝宽度nd，即狭缝长边方向)；其中I0为靶纸面上中心最亮处的光强，I(θ1,θ2)为靶面上的光强分布函数。
可以从这个公式看出，对于主衍射光斑尺寸(第一暗条纹内被称为衍射主光斑，即图2中位于最中间的光斑，简称：主光斑)，此时如果为X方向，则α＝π，如果为Y方向，则β＝π。根据上述公式，此时对应靶面X方向夹角和Y方向夹角为：
Figure BDA0001279296950000043
通光狭缝X方向宽度越宽(即狭缝的短边越长)，主光斑X方向尺寸越窄；通光狭缝X宽度越窄，主光斑X方向尺寸越宽。在没有几何像差影响下，主衍射光斑X方向的宽度与Y方向的宽度有如下关系：
Figure BDA0001279296950000044
其中Lx，Ly表示主光斑的半尺寸(主光斑长和宽的一半)，即第一暗条纹的位置，Distance是通光狭缝到靶面的距离。从上述公式可以看出，主光斑X方向的宽度与Y方向的宽度比值反比于通光矩形X方向的宽度与Y方向宽度的比值。
本实施例中，狭缝板3可旋转地安装在镜头固定爪面向靶纸4的一侧，在检测时旋转狭缝板3，若镜头6不存在非对称像差，那么主光斑的长宽基本不变，若发生较大变化，则认为该镜头6存在非对称像差。
点光源的出光端设有可拆卸插入滤镜的卡口，通过插入不同颜色的滤镜以检测镜头对不同色光的像差。
本实施例中，狭缝宽度d为0.5～5毫米，n为4～10。选择这样的数值，是因为mm量级的狭缝对应的夫琅禾费衍射的主光斑明显，次光斑不明显；其次mm量级的狭缝对应的主光斑尺寸为mm量级，容易测量。例如：d为5mm，n为4，那么主光斑宽度的比值为4:1时，则可以认为20mm的口径内的像差小于λ/4，像差为可接受范围。
本实施例的光学镜头像差检测装置结构简单，检测方法简单易行，可在生产现场随时进行检测。
本发明还提供了一种利用上装置的光学镜头像差检测方法，包括：
步骤S1，将待测镜头固定在镜头固定爪上，保证狭缝中心点及点光源位于所述镜头的轴线上。
步骤S2，当镜头的物距为无穷大时，调节所述点光源距所述镜头中心的距离为镜头焦距的5～10倍，当镜头的物距为固定值时，调节所述点光源距所述镜头中心的距离为所述固定值，调节靶纸位于所述镜头的焦距处。
步骤S3，打开点光源，在靶纸上形成若干光斑，根据靶纸上的网格判断，若主光斑长度和宽度的比值等于n:1，则认为nd毫米的口径内的像差小于λ/4，像差为可接受范围，λ为光的波长。
其中，步骤S3之前还包括在点光源的出光端插入滤镜，所述滤镜中心位于所述镜头的轴线上。
其中，步骤S3的检测过程中，还包括旋转调节狭缝板，以测量旋转后主光斑的长度和宽度，若长度和宽度变化较大说明该镜头存在非对称像差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光学镜头像差检测装置，其特征在于，包括：点光源、镜头固定爪、狭缝板及靶纸，所述镜头固定爪位于点光源和靶纸之间，狭缝板安装在镜头固定爪面向靶纸的一侧，狭缝板上设有长条形狭缝，所述长条形狭缝的宽度为d，长度为nd，n为正数，所述靶纸上设有若干横线、纵线形成的网格；
狭缝板可旋转地安装在镜头固定爪面向靶纸的一侧，用于对镜头是否存在非对称像差的检测。
2.如权利要求1所述的光学镜头像差检测装置，其特征在于，所述点光源的出光端设有可拆卸插入滤镜的卡口。
3.如权利要求1～2中任一项所述的光学镜头像差检测装置，其特征在于，所述狭缝宽度d为0.5～5毫米，n为4～10。
4.一种利用权利要求1～3中任一项所述的光学镜头像差检测装置的光学镜头像差检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1：将待测镜头固定在镜头固定爪上，保证狭缝中心点及点光源位于所述镜头的轴线上；
S2：当镜头的物距为无穷大时，调节所述点光源距所述镜头中心的距离为镜头焦距的5～10倍，当镜头的物距为固定值时，调节所述点光源距所述镜头中心的距离为所述固定值，调节靶纸位于所述镜头的焦距处；
S3：打开点光源，在靶纸上形成若干光斑，根据靶纸上的网格判断，若主光斑长度和宽度的比值等于n:1，则认为nd毫米的口径内的像差小于λ/4，像差为可接受范围，λ为光的波长；
步骤S3的检测过程中，还包括旋转调节狭缝板，以测量旋转后主光斑的长度和宽度，确定镜头是否存在非对称像差。
5.如权利要求4所述的光学镜头像差检测方法，其特征在于，步骤S3之前还包括在点光源的出光端插入滤镜，所述滤镜中心位于所述镜头的轴线上。
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