CN107702641A - 一种检测非球面透镜透射波面的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种检测非球面透镜透射波面的系统及方法。一种检测非球面透镜透射波面的系统包括条纹发生装置、聚光装置、分光装置、第一成像装置、第二成像装置和分析装置，其利用待检测的非球面透镜和参考透镜的两者之一在透射光光路对像进行调制，另一者在反射光光路上对像进行调制，分析装置对分别经过待检测的非球面透镜调制和参考透镜调制后形成的像进行对比分析以得到非球面透镜透射波面的信息。一种检测非球面透镜透射波面的方法，其包括步骤：S1：产生条纹图；S2：聚光；S3：分光路；S4：利用非球面透镜和参考透镜分别成像；S5：分析。本发明提供的一种检测非球面透镜透射波面的系统及方法具有灵活快速使用的优点。

Description

一种检测非球面透镜透射波面的系统及方法

【技术领域】

本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种检测非球面透镜透射波面的系统及方法。

【背景技术】

构成光学镜头的透镜以面形来分主要有两大类，球面透镜和非球面透镜。而在中高档镜头中，最核心的部件是非球面透镜，非球面透镜的质量标志着镜头的技术水平。非球面透镜可以修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差，因此，非球面透镜与球面透镜相比，其精度更高、影像更清晰，一片非球面透镜可以替代2～3片球面透镜。

非球面透镜是光学透镜行业发展的关键所在，其相关的制造与检测技术也就成了镜头领域的研究重点，同时也是高像质镜头开发的技术难点，如何提升我国镜头行业的制造水平，就要伸入研究非球面透镜制造与检测的相关技术。

树脂非球面透镜(口径在100nm以下)的批量制造主要采用精密注塑成型技术，而玻璃非球面透镜(口径在50nm以下)的批量制造主要采用热模压成型技术，而这两类非球面透镜(以轴对称透镜为主)的制造都是以高精度的检测技术为前提，非球面透镜的检测精度和效率是制约非球面透镜生产的一个技术瓶颈。非球面透镜的检测主要检测其透射波前的畸变，一般要求其精度在亚波长量级；同时由于在现场制造中经常加工大量尺寸和形状不同的非球面透镜，这就需要一种灵活快速的检测系统以实现多种类型透镜的检测，其检测的灵活性和检测速度应能满足生产制造的要求；由于是高精度检测，必然会受到振动噪声的影响，这就要求光学检测机构比较简单，系统误差最小化。因此，优秀的检测系统及方法将是保证非球面透镜批量生产的关键所在。

【发明内容】

针对现有检测非球面透镜透射波面的系统存在的不能灵活使用的问题，本发明提供一种检测非球面透镜透射波面的系统，本发明还提供一种检测非球面透镜透射波面的方法。

本发明解决技术问题的方案是所述检测非球面透镜透射波面的系统包括条纹发生装置、聚光装置、分光装置、第一成像装置、第二成像装置和分析装置，条纹发生装置产生条纹图，聚光装置对入射光进行聚光并形成平行光，分光装置将经过聚光装置后形成的平行光分成透射光和反射光，第一成像装置和第二成像装置的两者之一设置在反射光光路，另一者设置在透射光光路上，第一成像装置中设置有参考透镜，第二成像装置中设置有待检测的非球面透镜，第一成像装置和第二成像装置均与分析装置电连接，分析装置对分别经过待检测的非球面透镜以及参考透镜调制后形成的条纹图的像进行检测对比分析以得到待检测的非球面透镜透射波面的信息。

优选地，经过所述参考透镜调制后形成的条纹图的像对应的参考透镜透射波面的信息存储在该分析装置中，只需对经过待检测的非球面透镜以及参考透镜调制后形成的条纹图的像进行检测分析，然后将对比分析结果与分析装置中存储的参考透镜的波面信息进行对比分析即可得到待检测的非球面透镜透射波面的信息。

优选地，透射光光路的光强与反射光光路的光强大小一致。

优选地，所述条纹图为相移条纹图。

优选地，所述参考透镜为标准的平面相位物体。

本发明还提供一种检测非球面透镜透射波面的方法，其包括步骤：

步骤S1：产生条纹图；

步骤S2：聚光，对经过条纹图的入射光进行聚光并形成平行光；

步骤S3：分光路，将经过聚光装置后形成的平行光分成透射光和反射光，透射光光路和反射光光路上的光强一致；

步骤S4：利用非球面透镜和参考透镜分别成像，利用非球面透镜和参考透镜的两者之一在透射光光路上对条纹图的空间条纹像进行调制，另一者在反射光光路上对条纹图的空间条纹像进行调制；

步骤S5：分析，对分别经过非球面透镜调制以及参考透镜调制后形成的像进行检测对比分析，并与参考透镜的波面信息进行对比分析以得到非球面透镜透射波面的信息。

优选地，所述步骤S4中是利用条纹投射法来进行对空间条纹像的调制，条纹图可在透射光光路和反射光光路上分别产生空间条纹像，空间条纹像分别投射到参考透镜和非球面透镜上并分别经过参考透镜和非球面透镜调制后再成像。

优选地，所述步骤S5中需对经过非球面透镜调制后形成的像和经过参考透镜调制后形成的像分别进行检测，将两个检测结果进行对比分析以进行非球面透镜透射波面的重建从而得到非球面透镜透射波面的信息。

优选地，所述步骤S5中先通过相移法进行相位解包裹处理以得到相位变化量，再利用相位变化量与角度变化的关系得到角度变化，而角度变化为透射波面的偏导数，从而得到非球面透镜相对于参考透镜的波面斜率差，进而对波面斜率差进行积分处理以得到非球面透镜透射波面相对于参考透镜透射波面的像差分布情况，从而进行非球面透镜透射波面的重建以得到非球面透镜透射波面的信息。

优选地，提供一xy坐标轴，通过相移法进行相位解包裹处理计算得到相位变化量，所述相位解包裹处理的计算公式为

再通过相位变化量与透射光或反射光角度变化的关系来计算得到角度变化，其计算公式为

角度变化为透射波面在x方向和y方向的偏导数，其计算公式为

通过积分处理得到非球面透镜透射波面相对于参考透镜透射波面的像差分布情况，最后进行波面重建以得到非球面透镜透射波面的信息；

是x方向的初始相位，是y方向的初始相位，a和b为常数，为x方向上的相位变化量，为y方向上的相位变化量，为p为条纹周期，d为条纹空间像到非球面透镜或参考透镜的距离，△θ为角度变化。

与现有技术相比，本发明的一种检测非球面透镜透射波面的系统包括条纹发生装置、聚光装置、分光装置、第一成像装置、第二成像装置和分析装置，条纹发生装置产生条纹图，聚光装置对入射光进行聚光并形成平行光，分光装置将经过聚光装置后形成的平行光分成透射光和反射光，第一成像装置和第二成像装置的两者之一设置在反射光光路，另一者设置在透射光光路上，第一成像装置中设置有参考透镜，第二成像装置中设置有待检测的非球面透镜，第一成像装置和第二成像装置均与分析装置电连接，分析装置对分别经过待检测的非球面透镜以及参考透镜调制后形成的条纹图的像进行检测对比分析以得到待检测的非球面透镜透射波面的信息。本发明的一种检测非球面透镜透射波面的系统具有快速灵活使用的优点。

与现有技术相比，本发明的一种检测非球面透镜透射波面的方法具有快速灵活使用的优点。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例中一种检测非球面透镜透射波面的系统的模块结构示意图。

图2是本发明第二实施例中一种检测非球面透镜透射波面的方法的流程示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参考图1，本发明的一种检测非球面透镜透射波面的系统10包括条纹发生装置1、聚光装置3、分光装置4、第一成像装置5、第二成像装置6、分析装置9。条纹发生装置1可产生一维或二维的周期性条纹，且条纹的相位和周期可调整，其产生的光学条纹优选为相移条纹图，以四步相移为最佳，条纹发生装置1优选为电控空间光调制器。条纹发生装置1产生的条纹图2位于聚光装置3的焦点位置处以确保光线经过聚光装置3后能形成平行光。聚光装置3可以实现光线聚焦而弥补光亮不足的问题，聚光装置3优选为消色差聚光镜，也可以是阿贝聚光镜、摇出式聚光镜或其他聚光装置3。从聚光装置3中发出的平行光照射到分光装置4上且被分光装置4分成反射光光路a和透射光光路b，分光装置4的通光面与入射光成45°角，透射光光路b上透射光的光强和反射光光路a上反射光的光强大小一致。分光装置4可以是立方体型分光镜，也可以是平面型分光镜，本发明采用立方体型分光镜来做示范性说明，在此不做限定。分光装置4的材质优选为K9光学玻璃。在透射光光路b的方向上设置有第一成像装置5，在反射光光路a上设置有第二成像装置6，第一成像装置5和第二成像装置6均可各自形成条纹图2的像。分析装置9与第一成像装置5和第二成像装置6电连接，分析装置9可针对第一成像装置5和第二成像装置6各自形成的像分别进行相位分析，再通过相位变化与透射光角度变化的关系计算得到波面斜率，进而得到波面斜率差，再对波面斜率差进行积分以得到像差分布情况，从而进行波面重建以得到透射波面的信息。

第一成像装置5在沿透射光光路b的方向上依次设置有第一孔径光阑51、第一显微物镜53、参考透镜55、第二显微物镜56、第二孔径光阑57、第一筒镜58以及第一图像传感器59，第一孔径光阑51的作用是确保第一显微物镜53形成的像更清晰、亮度更高，第一显微物镜53可以产生条纹2的空间条纹像7，空间条纹像7投射到参考透镜55上。参考透镜55设置在第一显微物镜53的焦点位置处以保证第一显微物镜53产生的条纹图2的空间条纹像7可以投射到参考透镜55上，即空间条纹像7与参考透镜55之间设置有距离d，且d>0。经过参考透镜55调制后的空间条纹像7依次经过第二显微物镜56、第二孔径光阑57、第一筒镜58后成像在第一图像传感器59上，第一图像传感器59会将经过参考透镜55调制后形成的像和检测到的光强数据传给分析装置9。第二显微物镜56设置在参考透镜55的焦点位置处以保证光线经过第二显微物镜56后能形成平行光，第二孔径光阑57的作用是使第一筒镜58形成的像更清晰、亮度更高，第一筒镜58与第二显微物镜56的配合使用可以校正第二显微物镜56的色差和像差。分析装置9可以对第一图像传感器59采集的像进行相位提取，然后通过相位变化与透射光角度变化的关系计算得到参考透镜55透射波面的斜率。第一图像传感器59为CCD图像传感器，也可以是CMOS图像传感器或其他可成像的图像传感器，本发明采用CCD图像传感器来做示范性说明，在此不做限定。作为本发明的变形实施例，第一孔径光阑51、第二孔径光阑57和第一筒镜58可以省略。

第二成像装置6在沿反射光光路a的方向上的依次设置有第三孔径光阑61、第三显微物镜63、待检测的非球面透镜65、第四显微物镜66、第四孔径光阑67、第二筒镜68以及第二图像传感器69。第三孔径光阑61的作用是确保第三显微物镜63形成的像更清晰、亮度更高，第三显微物镜63可以产生条纹2的空间条纹像7，空间条纹像7投射到非球面透镜65上。待检测的非球面透镜65设置在第三显微物镜63的焦点位置处以保证第三显微物镜63产生的条纹图2的空间条纹像7可以投射到待检测的非球面透镜65上，即空间条纹像7与待检测的非球面透镜65之间设置有距离d，且d>0。经过待检测的非球面透镜65调制后的空间条纹像7依次经过第四显微物镜66、第四孔径光阑67、第二筒镜68后成像在第二图像传感器69上，第二图像传感器69会将经过待检测的非球面透镜65调制后形成的像和检测到的光强数据传给分析装置9。第四显微物镜66设置在待检测的非球面透镜65的焦点位置处以保证光线经过第四显微物镜66后能形成平行光，第四孔径光阑67的作用是使第二筒镜68形成的像更清晰、亮度更高，第二筒镜68与第四显微物镜66的配合使用可以校正第四显微物镜66的色差和像差。分析装置9可以对第二图像传感器69采集的像进行相位提取，然后通过相位变化与反射光角度变化的关系计算得到待检测的非球面透镜65透射波面的斜率，再通过待检测的非球面透镜65透射波面斜率与参考透镜55透射波面斜率的比较得到待检测的非球面透镜65相对于参考透镜55的波面斜率差，再对波面斜率差进行积分以得到待检测的非球面透镜65相对于参考透镜55的像差分布情况，再进行待检测的非球面透镜65透射波面的重建以得到待检测的非球面透镜65透射波面的信息。反射光光路a上的第二图像传感器69和透射光光路b上的第一图像传感器59可同步或异步将各自光路上形成的像和监测到的光强数据传给分析装置9。作为本发明的变形实施例，第三孔径光阑61、第四孔径光阑67和第二筒镜68可以省略。参考透镜55可以是标准的接近待检测的非球面透镜65的球透镜或平面相位物体，在本发明中采用参考透镜55为标准的平面相位物体来做示范性说明，在此不做限定。当参考透镜55为标准的平面相位物体时，在对第一块待检测的非球面透镜65透射波面进行检测时就将检测到的参考透镜55的透射波面的信息存储到数据库中，在以后的检测过程中只需更换非球面透镜65即可，而不用每次也将参考透镜55更换成接近待检测的非球面透镜65的球透镜，并且只需对待检测的非球面透镜65所在光路上形成的像进行检测分析，然后与数据库中参考透镜55的波面信息进行对比分析即可，以实现灵活快速使用。

第三孔径光阑61与第一孔径光阑51型号、性能完全一致，第三显微物镜63和第一显微物镜53型号、性能完全一致，第四显微物镜66与第二显微物镜56型号、性能完全一致，第四孔径光阑67与第二孔径光阑57型号、性能完全一致，第二筒镜68与第一筒镜58型号、性能完全一致，第二图像传感器69与第一图像传感器59型号、性能完全一致。

本发明的一种检测非球面透镜65透射波面的系统10的原理为：

当空间条纹像7投射到待检测的非球面透镜65或参考透镜55上时，待检测的非球面透镜65或参考透镜55引起的透射光或反射光角度变化值为△θ，由此产生的条纹相位变化为

其中p为条纹周期，d为条纹空间像7到待检测的非球面透镜65或参考透镜55的距离。

以每条光路上的光传播的方向为x方向，与x方向垂直的为y方向，条纹发生装置1产生的相移条纹图2的光强I(x,y)在x方向和y方向可表示为

其中，是x方向的初始相位，是y方向的初始相位，a和b为常数，空间条纹像7透射到待检测的非球面透镜65或参考透镜55上后，相移条纹图2的光强分布变为

和为待检测的非球面透镜65或参考透镜55调制后的相位变化分量，可以通过由条纹发生装置1在x方向上产生至少三幅相移条纹图2来获得，可以通过由条纹发生装置1在y方向上产生至少三幅相移条纹图2来获得。在本发明中采用在x方向和y方向上产生四幅相移条纹图2，利用上述计算公式③并通过空间相移法或多频时间序列法进行相位解包裹处理可以得到待检测的非球面透镜65透射波面的相位和参考透镜55透射波面的相位。再根据上述计算公式①可以得到待检测的非球面透镜65和参考透镜55各自引起的透射光或反射光角度变化值△θ_x和△θ_y，而角度变化近似为透射波面在x方向和y方向的偏导数，表示为

从而得到待检测的非球面透镜65和参考透镜55各自的透射波面的斜率信息，也即可得到待检测的非球面透镜65相对于参考透镜55的波面斜率差。

因此，通过对待检测的非球面透镜65透射波面相对于参考透镜55透射波面的波面斜率差进行积分，可以获得待检测的非球面透镜65透射波面相对于参考透镜55透射波面的像差分布情况，进而对待检测的非球面透镜65进行波面像差分析以重建其透射波面从而得到待检测的非球面透镜65的透射波面信息。

作为本发明的变形实施例，分析装置9可以省略，第一图像传感器59和第二图像传感器69中形成的像可以可自动上传到云端以进行分析处理或第一图像传感器59和第二图像传感器59中均自带有分析功能即可。

作为本发明的变形实施例，第一成像装置5和第二成像装置6的位置可以对换，即第一成像装置5设置在反射光光路a上，第二成像装置6设置在透射光光路b上。

本发明还提供一种检测非球面透镜65透射波面的方法，本实施例中所涉及的结构以及标号均参考第一实施例中一种检测非球面透镜65透射波面的系统10的结构和标号。

本实施例的一种检测非球面透镜65透射波面的方法，其采用如上所述的一种检测非球面透镜65透射波面的系统10来进行检测，其具有以下步骤：

步骤S1：产生条纹图2，优选为四步相移条纹图；

步骤S2：聚光，对经过条纹图2的入射光进行聚光并产生平行光；

步骤S3：分光路，将入射光分成透射光和反射光，透射光光路b和反射光光路a上的光强一致；

步骤S4：利用非球面透镜和参考透镜分别成像，利用待检测的非球面透镜65和参考透镜55两者之一在反射光光路a对条纹图2的空间条纹像7进行调制，另一者在透射光光路b上对条纹图2的空间条纹像7像进行调制；

步骤S5：分析，对分别经过待检测的非球面透镜65调制以及参考透镜55调制后形成的像进行检测分析处理，并将分析结果与参考透镜55的波面信息进行对比分析以进行待检测的非球面透镜65透射波面的重建从而得到待检测的非球面透镜65透射波面的信息。

上述步骤S5中的参考透镜55的波面信息储存在一个数据库中，数据库设置在分析装置9中。每次只需对经过待检测的非球面透镜65调制后形成的像进行检测分析即可，再将分析结果与数据库中储存的参考透镜55的波面信息进行对比分析以进行待检测非球面透镜65透射波面的重建从而得到待检测的非球面透镜65透射波面的信息。

作为优选的，上述步骤S5中对分别经过待检测的非球面透镜65和参考透镜55调制后形成的像进行检测，检测得到两者的相位变化量，再通过相位变化量与角度变化的关系得到角度变化值，而角度变化近似为透射波面的偏导数，从而得到待检测的非球面透镜65相对于参考透镜55的波面斜率差，再对波面斜率差进行积分以得到待检测的非球面透镜65相对于参考透镜55的像差分布情况，从而进行待检测的非球面透镜65透射波面的重建从而得到待检测的非球面透镜65透射波面的信息。

与现有技术相比，本发明的一种检测非球面透镜透射波面的系统包括条纹发生装置、聚光装置、分光装置、第一成像装置、第二成像装置和分析装置，条纹发生装置产生条纹图，聚光装置对入射光进行聚光并形成平行光，分光装置将经过聚光装置后形成的平行光分成透射光和反射光，第一成像装置和第二成像装置的两者之一设置在反射光光路，另一者设置在透射光光路上，第一成像装置中设置有参考透镜，第二成像装置中设置有待检测的非球面透镜，第一成像装置和第二成像装置均与分析装置电连接，分析装置对经过待检测的非球面透镜调制后形成的条纹图的像进行检测分析，然后将分析结果与参考透镜的波面信息进行对比分析以得到待检测的非球面透镜透射波面的信息。本发明的一种检测非球面透镜透射波面的系统具有快速灵活使用的优点。

与现有技术相比，本发明的一种检测非球面透镜透射波面的方法具有快速灵活使用的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种检测非球面透镜透射波面的系统，其特征在于：所述检测非球面透镜透射波面的系统包括条纹发生装置、聚光装置、分光装置、第一成像装置、第二成像装置和分析装置，条纹发生装置产生条纹图，聚光装置对入射光进行聚光并形成平行光，分光装置将经过聚光装置后形成的平行光分成透射光和反射光，第一成像装置和第二成像装置的两者之一设置在反射光光路，另一者设置在透射光光路上，第一成像装置中设置有参考透镜，第二成像装置中设置有待检测的非球面透镜，第一成像装置和第二成像装置均与分析装置电连接，分析装置对分别经过待检测的非球面透镜以及参考透镜调制后形成的条纹图的像进行检测对比分析以得到待检测的非球面透镜透射波面的信息。

2.如权利要求1所述的检测非球面透镜透射波面的系统，其特征在于：经过所述参考透镜调制后形成的条纹图的像对应的参考透镜透射波面的信息存储在该分析装置中，只需对经过待检测的非球面透镜以及参考透镜调制后形成的条纹图的像进行检测分析，然后将对比分析结果与分析装置中存储的参考透镜的波面信息进行对比分析即可得到待检测的非球面透镜透射波面的信息。

3.如权利要求1所述的检测非球面透镜透射波面的系统，其特征在于：透射光光路的光强与反射光光路的光强大小一致。

4.如权利要求1所述的检测非球面透镜透射波面的系统，其特征在于：所述条纹图为相移条纹图。

5.如权利要求1所述的检测非球面透镜透射波面的系统，其特征在于：所述参考透镜为标准的平面相位物体。

6.一种检测非球面透镜透射波面的方法，其特征在于：其包括步骤：

步骤S1：产生条纹图；

步骤S2：聚光，对经过条纹图的入射光进行聚光并形成平行光；

步骤S3：分光路，将经过聚光装置后形成的平行光分成透射光和反射光，透射光光路和反射光光路上的光强一致；

步骤S4：利用非球面透镜和参考透镜分别成像，利用非球面透镜和参考透镜的两者之一在透射光光路上对条纹图的空间条纹像进行调制，另一者在反射光光路上对条纹图的空间条纹像进行调制；

步骤S5：分析，对分别经过非球面透镜调制以及参考透镜调制后形成的像进行检测对比分析，并与参考透镜的波面信息进行对比分析以得到非球面透镜透射波面的信息。

7.如权利要求6所述的检测非球面透镜透射波面的方法，其特征在于：所述步骤S4中是利用条纹投射法来进行对空间条纹像的调制，条纹图可在透射光光路和反射光光路上分别产生空间条纹像，空间条纹像分别投射到参考透镜和非球面透镜上并分别经过参考透镜和非球面透镜调制后再成像。

8.如权利要求6所述的检测非球面透镜透射波面的方法，其特征在于：所述步骤S5中需对经过非球面透镜调制后形成的像和经过参考透镜调制后形成的像分别进行检测，将两个检测结果进行对比分析以进行非球面透镜透射波面的重建从而得到非球面透镜透射波面的信息。

9.如权利要求8所述的检测非球面透镜透射波面的方法，其特征在于：所述步骤S5中先通过相移法进行相位解包裹处理以得到相位变化量，再利用相位变化量与角度变化的关系得到角度变化，而角度变化为透射波面的偏导数，从而得到非球面透镜相对于参考透镜的波面斜率差，进而对波面斜率差进行积分处理以得到非球面透镜透射波面相对于参考透镜透射波面的像差分布情况，从而进行非球面透镜透射波面的重建以得到非球面透镜透射波面的信息。

10.如权利要求9所述的检测非球面透镜透射波面的方法，其特征在于：提供一xy坐标轴，通过相移法进行相位解包裹处理计算得到相位变化量，所述相位解包裹处理的计算公式为

再通过相位变化量与透射光或反射光角度变化的关系来计算得到角度变化，其计算公式为

角度变化为透射波面在x方向和y方向的偏导数，其计算公式为

<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;&amp;theta;</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>&amp;part;</mo> <mi>W</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mo>&amp;part;</mo> <msub> <mi>W</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>;</mo> </mrow>

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通过积分处理得到非球面透镜透射波面相对于参考透镜透射波面的像差分布情况，最后进行波面重建以得到非球面透镜透射波面的信息；

是x方向的初始相位，是y方向的初始相位，a和b为常数，为x方向上的相位变化量，为y方向上的相位变化量，为p为条纹周期，d为条纹空间像到非球面透镜或参考透镜的距离，△θ为角度变化。