CN107677457A - 一种测量与鉴别菲涅尔透镜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量与鉴别菲涅尔透镜的方法，其中鉴别质量的方法包括以下步骤：取菲涅尔透镜，用放大镜初步测出菲涅尔透镜的栅距d'；利用电脑制版设计软件，设计出一个等间距的黑白相间同心圆线条，其栅距D与d'略有微小变化，并利用印刷专用的出片机，将该黑白相间同心圆线条打印在专用的菲林片上；将菲涅尔透镜紧覆在打印出来的菲林片上，看到该黑白相间同心圆线条在菲涅尔透镜上由于干涉而呈现出黑白同心圆环，并且黑白同心圆环在菲涅尔透镜上呈现出来的是等间距的黑白同心圆环图案；识别该黑白同心圆环的黑圆环图案的色饱和度，如果色饱和度高，则该菲涅尔透镜的质量好，反之则差。本发明操作方便、快速，测量精度高，误差小。
Description
技术领域
本发明属于菲涅尔透镜测量与鉴别技术领域，具体涉及一种测量与鉴别菲涅尔透镜的方法。
背景技术
菲涅尔透镜又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔发明的，它一般是由聚烯烃材料注压而成的薄片，其镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆螺纹，这些螺纹是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的。菲涅尔透镜的制作要求很高，一个优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，大多在1mm左右，面积较大，在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，虽然比整个都是由玻璃材料构成的普通凸透镜略差点，但成本却比普通的凸透镜低很多，常用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。
菲涅尔透镜也就是螺纹透镜的工作原理十分简单：假设一个凸透镜的折射能量仅仅发生在光学表面(如：凸透镜表面)，菲涅尔透镜的设计就是要尽可能多的拿掉普通凸透镜的光学材料，而保留其表面的弯曲度，如图1所示。也可这样来理解，把凸透镜连续的弯曲的光学表面部分“坍陷”到一个平面上，如图2所示。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看作一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光，这种透镜还能够消除部分球形像差。当需要一面又薄又轻的透镜时，塑料的菲涅尔透镜便派上了用场。
人们通常把密集的、有规则的、明暗相间的直线簇或曲线簇称为光栅，常见的有的平行直线光栅和如图3所示的同心圆光栅，相邻两条光栅线条之间的距离称为栅距，一般用d表示，菲涅尔透镜的光栅类型就是同心圆光栅。目前，还没有出现有关精准测量菲涅尔透镜栅距和鉴别菲涅尔透镜质量的研究。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题一是提供一种鉴别菲涅尔透镜质量的方法，本发明所要解决的技术问题二是提供一种测量菲涅尔透镜栅距的方法。
为了解决上述技术问题一，本发明的技术方案是：一种鉴别菲涅尔透镜质量的方法，包括以下步骤：
步骤S1：取待鉴别的菲涅尔透镜，用放大镜初步测出菲涅尔透镜的栅距大小，具体是通过测得N个完整栅距之间的距离为M，得到栅距估算值为d'＝M/N；
步骤S2：利用电脑制版设计软件，设计出一个等间距的黑白相间同心圆线条，其栅距设计值为D，其中D＝(1+λ)d'，λ是微小变化量，并利用印刷专用的出片机，将该黑白相间同心圆线条打印在专用的菲林片上；
步骤S3：将待鉴别的菲涅尔透镜紧覆在打印出来的菲林片上，看到该黑白相间同心圆线条在菲涅尔透镜上由于干涉而呈现出黑白同心圆环，并且黑白同心圆环在菲涅尔透镜上呈现出来的是等间距的黑白同心圆环图案；
步骤S4：识别该黑白同心圆环的黑圆环图案的色饱和度，如果色饱和度高，则该菲涅尔透镜的质量好，反之则差。
优选地，在步骤S1中，放大镜的倍数为15～25倍，栅距估算值取到小数点后两位。
优选地，在步骤S2中，栅距设计值取到小数点后两位。
一优选地，在步骤S4中，先用光源照射该黑白同心圆环，然后用肉眼观察，如果所呈现出来的图案黑白非常分明，也就是黑圆环图案的色饱和度高，则该菲涅尔透镜的质量好，反之则差。
另一优选地，在步骤S4中，先用图像传感器拍摄该黑白同心圆环的黑白同心圆环图案，然后用电脑图像处理软件识别出黑圆环图案的色饱和度。
为了解决上述技术问题二，本发明的技术方案是：一种测量菲涅尔透镜栅距的方法，包括以下步骤：
步骤S1：取待测的菲涅尔透镜，用放大镜初步测出菲涅尔透镜的栅距大小，具体是通过测得N个完整栅距之间的距离为M，得到栅距估算值为d'＝M/N；
步骤S2：利用电脑制版设计软件，设计出多个等间距的黑白相间同心圆线条，其栅距设计值依次为D1、D2、D3、…、Dn，其中Dn＝(1+λn)d'，λn是微小变化量，并利用印刷专用的出片机，将该些黑白相间同心圆线条分别打印在专用的菲林片上；
步骤S3：将待测的菲涅尔透镜依次紧覆在打印出来的菲林片上，看到不同间距的黑白相间同心圆线条在菲涅尔透镜上呈现出不同大小的黑白同心圆环，并且每个黑白同心圆环在菲涅尔透镜上呈现出来的是等间距的黑白同心圆环图案，测出多个黑白同心圆环图案的间距依次为L1、L2、L3、…、Ln，其中Ln＝M'n/N'n，M'n是测量距离，N'n是测量距离内的完整黑白线条数；
步骤S4：根据同心圆光栅栅距计算公式Ln/dn-Ln/Dn＝±1推导出，该菲涅尔透镜的栅距计算值为d1、d2、d3、…、dn，其中dn＝(Ln*Dn)/(Ln±Dn)，取其中出现频率最高的栅距计算值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d，或者取其中相等和相近的栅距计算值的平均值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d。
优选地，在步骤S1中，放大镜的倍数为15～25倍，栅距估算值取到小数点后两位。
优选地，在步骤S2中，栅距设计值取到小数点后两位。
优选地，在步骤S4中，栅距计算值和栅距精确值取到小数点后四位。
优选地，在步骤S4中，当Dn＜d'时，则dn＝(Ln*Dn)/(Ln+Dn)，取其中出现频率最高的栅距计算值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d，或者取该些栅距计算值的平均值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d；当Dn＞d'时，则dn＝(Ln*Dn)/(Ln-Dn)，取其中出现频率最高的栅距计算值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d，或者取该些栅距计算值的平均值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用本发明的方法能够方便、快速地测量出菲涅尔透镜的栅距，测量精度非常高，误差小，可达到百纳米级别，具有很好的推广价值；还能够方便、快速地判断菲涅尔透镜的质量，若呈现出来的图案黑白模糊，黑圆环图案的色饱和度低，质量差，反之则好。
附图说明
图1为菲涅尔透镜的设计示意图一。
图2为菲涅尔透镜的设计示意图二。
图3为同心圆光栅的示意图。
图4为菲涅尔透镜覆盖在菲林片上的示意图。
图5为黑白相间同心圆线条的栅距设计值与菲涅尔透镜的栅距计算值的关系图。
图6为黑白相间同心圆线条的栅距设计值与黑白同心圆环图案的间距的关系图。
图7为甲光栅与乙光栅的叠合示意图。
图8为甲光栅与丙光栅的叠合示意图。
图9为甲光栅与丁光栅的叠合示意图。
具体实施方式
为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下面特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图4所示，一种鉴别菲涅尔透镜质量的方法，包括以下步骤：
步骤S1：取待鉴别的菲涅尔透镜A，用放大镜初步测出菲涅尔透镜A的栅距大小，具体是通过测得N个完整栅距之间的距离为M，得到栅距估算值为d'＝M/N；
步骤S2：利用电脑制版设计软件，设计出一个等间距的黑白相间同心圆线条，其栅距设计值为D，其中D＝(1+λ)d'，λ是微小变化量，并利用印刷专用的出片机，将该黑白相间同心圆线条打印在专用的菲林片B上；
步骤S3：将待鉴别的菲涅尔透镜A紧覆在打印出来的菲林片B上，看到该黑白相间同心圆线条在菲涅尔透镜A上由于干涉而呈现出黑白同心圆环，并且黑白同心圆环在菲涅尔透镜A上呈现出来的是等间距的黑白同心圆环图案；
步骤S4：识别该黑白同心圆环的黑圆环图案的色饱和度，如果色饱和度高，则该菲涅尔透镜A的质量好，反之则差。
在步骤S1中，放大镜的倍数优选15～25倍，栅距估算值取到小数点后两位。以学校展室里的等间距菲涅尔透镜A为例，在20倍的放大镜中测得2.0mm有4个栅距，平均可得栅距是0.50mm。
在步骤S2中，栅距设计值取到小数点后两位，如间距为0.45mm、0.46mm、0.47mm、0.48mm、0.49mm、0.51mm、0.52mm、0.53mm、0.54mm或0.55mm的黑白相间同心圆线条。
在步骤S4中，可以先用光源照射该黑白同心圆环，然后用肉眼观察，如果所呈现出来的图案黑白非常分明，也就是黑圆环图案的色饱和度高，则该菲涅尔透镜A的质量好，反之则差。
在步骤S4中，也可以先用图像传感器拍摄该黑白同心圆环的黑白同心圆环图案，然后用电脑图像处理软件识别出黑圆环图案的色饱和度，如果黑圆环图案的色饱和度高，则该菲涅尔透镜A的质量好，反之则差。
在步骤S4中，例如色饱和度≥75％，则菲涅尔透镜A的质量好，反之则差。
如图4～6所示，一种测量菲涅尔透镜栅距的方法，包括以下步骤：
步骤S1：取待测的菲涅尔透镜A，用放大镜初步测出菲涅尔透镜A的栅距大小，具体是通过测得N个完整栅距之间的距离为M，得到栅距估算值为d'＝M/N；
步骤S2：利用电脑制版设计软件，设计出多个等间距的黑白相间同心圆线条，其栅距设计值依次为D1、D2、D3、…、Dn，其中Dn＝(1+λn)d'，λn是微小变化量，并利用印刷专用的出片机，将该些黑白相间同心圆线条分别打印在专用的菲林片B上；
步骤S3：将待测的菲涅尔透镜A依次紧覆在打印出来的菲林片B上，看到不同间距的黑白相间同心圆线条在菲涅尔透镜A上呈现出不同大小的黑白同心圆环，并且每个黑白同心圆环在菲涅尔透镜A上呈现出来的是等间距的黑白同心圆环图案，测出多个黑白同心圆环图案的间距依次为L1、L2、L3、…、Ln，其中Ln＝M'n/N'n，M'n是测量距离，N'n是测量距离内的完整黑白线条数；
步骤S4：根据同心圆光栅栅距计算公式Ln/dn-Ln/Dn＝±1推导出，该菲涅尔透镜A的栅距计算值为d1、d2、d3、…、dn，其中dn＝(Ln*Dn)/(Ln±Dn)，取其中出现频率最高的栅距计算值为该菲涅尔透镜A的栅距精确值d，或者取其中相等和相近的栅距计算值的平均值为该菲涅尔透镜A的栅距精确值d。
在步骤S1中，放大镜的倍数为15～25倍，栅距估算值取到小数点后两位。以学校展室里的等间距菲涅尔透镜A为例，在20倍的放大镜中测得2.0mm有4个栅距，平均可得栅距是0.50mm。
在步骤S2中，栅距设计值取到小数点后两位，如间距依次为0.45mm、0.46mm、0.47mm、0.48mm、0.49mm、0.51mm、0.52mm、0.53mm、0.54mm、0.55mm的黑白相间同心圆线条。
在步骤S4中，栅距计算值和栅距精确值取到小数点后四位。
在步骤S4中，当Dn＜d'时，则dn＝(Ln*Dn)/(Ln+Dn)，取其中出现频率最高的栅距计算值为该菲涅尔透镜A的栅距精确值d，或者取该些栅距计算值的平均值为该菲涅尔透镜A的栅距精确值d；当Dn＞d'时，则dn＝(Ln*Dn)/(Ln-Dn)，取其中出现频率最高的栅距计算值为该菲涅尔透镜A的栅距精确值d，或者取该些栅距计算值的平均值为该菲涅尔透镜A的栅距精确值d。
把间距为0.45mm、0.46mm、……、0.54mm、0.55mm的黑白相间同心圆线条的相关数据测量后，列表计算如下表格：
通过上面表格的数据分析中发现：
(1)当等间距黑白同心圆线条设计中的栅距都比0.50mm小时，少一栅距的计算结果大致相同，栅距精确值d取0.4971mm，并且随着设计中所用栅距的增大，覆上菲涅尔透镜A后所呈现出来的一个黑白图案的间距随着增大；
(2)当等间距黑白同心圆线条设计中的栅距都比0.50mm大时，多一栅距的计算结果也大致相同，栅距精确值d取0.4971mm，但随着设计中所用栅距的增大，覆上菲涅尔透镜A后所呈现出来的一个黑白图案的间距随着减小。
综上所述，当两个同心圆光栅的栅距略有微小变化时，假设一个光栅的栅距为d，另一个略有微小变化的栅距为D＝(1+λ)d，叠合在一起，就会出现不同于原有光栅条纹的另外花纹图案，并且在出现一个花纹图案的距离L里，满足这样一个关系式：L/d-L/D＝±1或|L/d-L/D|＝1。把D＝(1+λ)d代入|L/d-L/D|＝1式子，推导出L＝|1/λ+1|d，因为λ是个微小的变化量，所以|1/λ+1|>>1，L>>d。而当两个同心圆光栅的栅距相等即D＝d时，相当于λ＝0，这时的L→∞，这也说明了D＝d时为什么不出现另外黑白环形图案的原因。
如图7～9所示，步骤S4中的同心圆光栅栅距计算公式的建立方法，包括以下步骤：
(1)取至少四个等间距的同心圆光栅，该些同心圆光栅的最小环直径相等，将甲光栅作为标准光栅，将乙、丙、丁等其它光栅作为测试光栅；其中，甲光栅的栅距为d，乙光栅的栅距也为d，丙光栅的栅距为D1，且D1略微大于d，丁光栅的栅距为D2，且D2略微小于d；
(2)将乙光栅覆盖于甲光栅上且使二者中心点叠合，重叠部分颜色不变，不出现不同于原甲、乙光栅线纹的其它图案，如图7所示；
(3)将丙光栅覆盖于甲光栅上且使二者中心点叠合，重叠部分出现不同于原甲、丙光栅线纹的另外黑白环形图案，并且经过相同的距离后又再次出现，周而复始；测量一个另外黑白环形图案的距离为L1，数得L1距离内甲光栅的条数L1/d比丙光栅的条数L1/D1多一条，即L1/d-L1/D1＝1，如图8所示；
(4)将丁光栅覆盖于甲光栅上且使二者中心点叠合，重叠部分出现不同于原甲、丁光栅线纹的另外黑白环形图案，并且经过相同的距离后又再次出现，周而复始；测量一个另外黑白环形图案的距离为L2，数得L2距离内甲光栅的条数L2/d比丁光栅的条数L2/D2少一条，即L2/d-L2/D2＝-1，如图9所示；
(5)以此类推，可知当测试光栅的栅距D相对于标准光栅的栅距d略有微小变化，即D趋近于d时，将二者以中心点叠合在一起后，重叠部分出现不同于原有两个光栅条纹的另外黑白环形图案，并且在出现一个黑白环形图案的距离L内，满足这样一个关系式：L/d-L/D＝±1。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做任何简单的修改、均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种鉴别菲涅尔透镜质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：取待鉴别的菲涅尔透镜，用放大镜初步测出菲涅尔透镜的栅距大小，具体是通过测得N个完整栅距之间的距离为M，得到栅距估算值为d'=M/N；
步骤S2：利用电脑制版设计软件，设计出一个等间距的黑白相间同心圆线条，其栅距设计值为D，其中D=(1+λ)d'，λ是微小变化量，并利用印刷专用的出片机，将该黑白相间同心圆线条打印在专用的菲林片上；
步骤S3：将待鉴别的菲涅尔透镜紧覆在打印出来的菲林片上，看到该黑白相间同心圆线条在菲涅尔透镜上由于干涉而呈现出黑白同心圆环，并且黑白同心圆环在菲涅尔透镜上呈现出来的是等间距的黑白同心圆环图案；
步骤S4：识别该黑白同心圆环的黑圆环图案的色饱和度，如果色饱和度高，则该菲涅尔透镜的质量好，反之则差。
2.根据权利要求1所述的一种鉴别菲涅尔透镜质量的方法，其特征在于：在步骤S1中，放大镜的倍数为15~25倍，栅距估算值取到小数点后两位。
3.根据权利要求1所述的一种鉴别菲涅尔透镜质量的方法，其特征在于：在步骤S2中，栅距设计值取到小数点后两位。
4.根据权利要求1所述的一种鉴别菲涅尔透镜质量的方法，其特征在于：在步骤S4中，先用光源照射该黑白同心圆环，然后用肉眼观察，如果所呈现出来的图案黑白非常分明，也就是黑圆环图案的色饱和度高，则该菲涅尔透镜的质量好，反之则差。
5.根据权利要求1所述的一种鉴别菲涅尔透镜质量的方法，其特征在于：在步骤S4中，先用图像传感器拍摄该黑白同心圆环的黑白同心圆环图案，然后用电脑图像处理软件识别出黑圆环图案的色饱和度。
6.一种测量菲涅尔透镜栅距的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：取待测的菲涅尔透镜，用放大镜初步测出菲涅尔透镜的栅距大小，具体是通过测得N个完整栅距之间的距离为M，得到栅距估算值为d'=M/N；
步骤S2：利用电脑制版设计软件，设计出多个等间距的黑白相间同心圆线条，其栅距设计值依次为D1、D2、D3、…、Dn，其中Dn=(1+λn)d'，λn是微小变化量，并利用印刷专用的出片机，将该些黑白相间同心圆线条分别打印在专用的菲林片上；
步骤S3：将待测的菲涅尔透镜依次紧覆在打印出来的菲林片上，看到不同间距的黑白相间同心圆线条在菲涅尔透镜上呈现出不同大小的黑白同心圆环，并且每个黑白同心圆环在菲涅尔透镜上呈现出来的是等间距的黑白同心圆环图案，测出多个黑白同心圆环图案的间距依次为L1、L2、L3、…、Ln，其中Ln=M'n/N'n，M'n是测量距离，N'n是测量距离内的完整黑白线条数；
步骤S4：根据同心圆光栅栅距计算公式Ln/dn-Ln/Dn=±1推导出，该菲涅尔透镜的栅距计算值为d1、d2、d3、…、dn，其中dn=(Ln*Dn)/(Ln±Dn)，取其中出现频率最高的栅距计算值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d，或者取其中相等和相近的栅距计算值的平均值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d。
7.根据权利要求6所述的一种测量菲涅尔透镜栅距的方法，其特征在于：在步骤S1中，放大镜的倍数为15~25倍，栅距估算值取到小数点后两位。
8.根据权利要求6所述的一种测量菲涅尔透镜栅距的方法，其特征在于：在步骤S2中，栅距设计值取到小数点后两位。
9.根据权利要求6所述的一种测量菲涅尔透镜栅距的方法，其特征在于：在步骤S4中，栅距计算值和栅距精确值取到小数点后四位。
10.根据权利要求6或9所述的一种测量菲涅尔透镜栅距的方法，其特征在于：在步骤S4中，当Dn＜d'时，则dn=(Ln*Dn)/(Ln+Dn)，取其中出现频率最高的栅距计算值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d，或者取该些栅距计算值的平均值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d；当Dn＞d'时，则dn=(Ln*Dn)/(Ln-Dn)，取其中出现频率最高的栅距计算值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d，或者取该些栅距计算值的平均值为该菲涅尔透镜的栅距精确值d。
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| CN108801601B (zh) * | 2018-04-13 | 2020-05-19 | 歌尔科技有限公司 | 菲涅尔透镜杂散光噪声的测试方法、设备及存储介质 |
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