CN109141835B - 投影及纹影二合一光学测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及投影及纹影二合一光学测试系统，涉及投影及纹影光学测试技术领域。本发明在一套测试系统中，通过应用两个透镜移动的光学特性组合，分别形成投影望远光学系统和纹影照相光学系统，实现了一套光学系统装置具有投影光学系统和纹影光学两种功能。本发明使需要应用两种不同光学原理建立的两种光学测试功能的装置在一个装置中实现，大大节省了测试装置的设计和制造费用，同时增加测试装置的功能，方便了测试工作的开展，节省了测试设备的放置空间。

Description

投影及纹影二合一光学测试系统
技术领域
本发明涉及投影及纹影光学测试技术领域，具体涉及投影及纹影二合一光学测试系统。
背景技术
可见光光学材料或红外光学材料中的条纹是影响光学零件成像质量的一种材料缺陷，这种缺陷一般是用投影测试装置进行定性测试，为了进一步细化测试的需要，要用纹影测试装置进行半定量测试。投影测试装置和纹影测试装置应用的光学原理是不一样的：投影测试装置应用的是望远光学系统或平行光的原理，如图1的a)和图1的b)所示；纹影测试装置应用的是照相光学系统的原理，如图2所示。因此，它们需要分别设计成投影测试装置和纹影测试装置两种装置。为了满足光学材料条纹的不同目的的测试，需要准备投影测试装置和纹影测试装置两种不同的测试装置。
为了满足光学材料条纹测试定性和半定量的测试需要，需要同时拥有投影测试装置和纹影测试装置，这给测试装置用户带来了较大设备投入成本，占用较多的测试装置放置空间，并且增加了分别到两种设备上测试带来的麻烦和时间耗费。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何将投影光学系统和纹影光学系统的功能融合到一个光学系统中，减少投影测试装置和纹影测试装置两种测试装置分别设计和制造所带来的资源浪费和高成本，以及两套装置放置的空间占用。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了投影及纹影二合一光学测试系统，包括平行光源系统1、第一正透镜2、光阑3、第二正透镜4、探测器5、负透镜7、刀口仪8和样品台9；
其中，所述平行光源系统1发出的平行光的均匀性高于预设阈值；所述平行光源系统1的光谱在测试样品的透明光谱内且在探测器5的工作响应光谱内；
将所述投影及纹影二合一光学测试系统作为投影测试装置使用时，依据光路方向依次放置所述平行光源系统1、样品台9、第一正透镜2、光阑3、第二正透镜4、探测器5，其中在样品台9上放置测试样品401，采用可变孔径光阑作为所述光阑3，用平行光源系统1照射放在样品台9上的测试样品401，在第一正透镜2的像方焦点上放置所述光阑3，使第二正透镜4的物方焦点与第一正透镜2的像方焦点重合，形成一个按望远系统放大倍率对入射平行光直径压缩为小直径出行平行光的望远光学系统，所述望远光学系统用于将压缩的出射平行光照射到探测器5上；所述望远光学系统的出射口径与探测器5的有效探测面尺寸相匹配；第一正透镜2的焦距大于第二正透镜4的焦距，且第一正透镜2的口径大于第二正透镜4的口径；
将投影及纹影二合一光学测试系统作为纹影装置使用时，去掉光阑3，使第一正透镜2和第二正透镜4相互靠近，组合成一个纹影系统的照相物镜701，所述照相物镜701的焦距为纹影测试期望的焦距；并将第一正透镜2和第二正透镜4组合的照相物镜701作为一个整体移动，形成照相物镜701对测试样品401中的缺陷成像在探测器5上的光学成像关系，照相物镜701的物距与像距之比为测试样品401的口径与探测器5的有效尺寸之比，并在测试时在照相物镜701的像方焦点位置处放置刀口仪8，使刀口仪8沿垂直光轴方向移动进行测试。
优选地，所述第一正透镜2、第二正透镜4、负透镜7均为透镜组。
优选地，所述所述平行光源系统1的光源采用窄谱光源。
优选地，所述系统还包括数据采集、处理及显示系统6，用于对探测器5感知的数据进行采集、处理及显示。
优选地，所述数据采集、处理及显示系统6还用于对探测和采集的测试样品401中的条纹数量、面积和灰度进行材料缺陷定性等级评定。
优选地，若要对测试样品401进行满口径测试，则第一正透镜2的口径设置为大于测试样品401的口径。
优选地，将所述投影及纹影二合一光学测试系统作为投影测试装置使用时，将所述第二正透镜4换成负透镜7，且使所述负透镜7的物方焦点与所述第二正透镜4的像方焦点重合。
优选地，将所述投影及纹影二合一光学测试系统作为投影测试装置使用时，设计所述望远光学系统的出射口径D2等于探测器5的有效尺寸S。
优选地，设入射光口径D1经所述望远光学系统压缩后的口径为D2，压缩系数为k，k为第二正透镜4的焦距f2除以第一正透镜2的焦距f1，即k＝f2/f1，望远光学系统出射口径D2＝k D1。
(三)有益效果
本发明在一套测试系统中，通过应用两个透镜移动的光学特性组合，分别形成投影望远光学系统和纹影照相光学系统，实现了一套光学系统装置具有投影光学系统和纹影光学两种功能。本发明使需要应用两种不同光学原理建立的两种光学测试功能的装置在一个装置中实现，大大节省了测试装置的设计和制造费用，同时增加测试装置的功能，方便了测试工作的开展，节省了测试设备的放置空间。
附图说明
图1是现有技术中投影光学系统图；
图2是现有技术中纹影光学系统图；
图3是本发明的投影及纹影二合一光学系统组成图；
图4是本发明中布置的第一种投影光学系统组成图；
图5是本发明中布置的第二种投影光学系统组成图；
图6是本发明的投影光学系统中望远光学系统出射光尺寸与探测器有效面积尺寸的匹配关系示意图；
图7是本发明中布置的纹影光学系统中的照相物镜组成关系图；
图8是本发明中布置的纹影光学系统组成图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明的发明人发现，在测试样品的观察方，应用两个透镜进行不同间隔的变化组合，可分别形成望远光学系统和照相光学系统，可在一台装置上分别实现投影测试和纹影测试两个功能。
本发明基于对投影光学系统和纹影光学系统光学成像本质的深入掌握，应用两个光学透镜间的巧妙组合关系，创建了投影光学系统和纹影光学系统二合一的光学系统。
如图3所示，本发明提供的投影及纹影二合一光学测试系统由平行光源系统1、第一正透镜2、光阑3、第二正透镜4、探测器5、数据采集、处理及显示系统6、负透镜7、刀口仪8、样品台9组成。根据消像差的需要，第一正透镜2、第二正透镜4、负透镜7可以是透镜组。其中，第一正透镜2的焦距比第二正透镜4的焦距长数倍，且第一正透镜2的口径也比第二正透镜4的口径大。
其中，平行光源系统1发出的平行光应是均匀性很高的平行光(亮度匀性一般应不大于5％)，光源的均匀性越好，测试的结果越真实，否则会将光源自身的不均匀性作为样品的均匀性问题，不能正确反映样品的问题，带来较大测试误差。
平行光源系统1的光谱应在测试样品的透明光谱内且在探测器5的工作响应光谱内。光源可用宽光谱光源，也可用窄谱光源，用窄谱光源测试更准确，但要求光通量应足够大(光源的输出功率要大)，使探测器能响应样品的低灰度条纹。
如图4所示，欲将投影及纹影二合一光学测试系统布置为投影测试装置使用时，依据光路方向(从左至右)依次放置所述平行光源系统1、样品台9、第一正透镜2、光阑3、第二正透镜4、探测器5，其中在样品台9上放置测试样品401，采用可变孔径光阑作为所述光阑3，用平行光源系统1照射放在样品台9上的测试样品401，在第一正透镜2的像方焦点上放置所述光阑3，使第二正透镜4的物方焦点与第一正透镜2的像方焦点重合，形成一个按望远系统放大倍率对入射平行光直径压缩为小直径出行平行光的望远光学系统，望远光学系统将压缩的出射平行光照射到探测器5上，数据采集、处理及显示系统6对探测器5感知的数据进行采集、处理、显示，数据采集、处理及显示系统6还对探测和采集的测试样品401中的条纹数量、面积和灰度进行材料缺陷定性等级评定。
若要对测试样品401进行满口径测试，则第一正透镜2的口径需大于测试样品401的口径。
投影及纹影二合一光学测试系统没有采用图1和图2中的银幕显示图像，而采用探测器5接收测试图像以及用数据采集、处理及显示系统6采集、处理和显示测试图像，可使测试样品401的测试图像能够储存和分析，有利于测试样品质量的档案管理和技术数据的积累。
图4中的第二正透镜4也可以换成负透镜7，此时投影的望远系统成像关系如图5所示。图4中的第二正透镜4的像方焦点与图5中的负透镜7的物方焦点重合，用正透镜和负透镜组合的投影系统可以缩短仪器的占用空间。
图4和图5中的望远光学系统的出射口径应与探测器5的有效探测面尺寸相匹配，如图6所示。图6中，所述望远光学系统的出射口径D2既不要大于探测器5的有效尺寸S，也不要小于探测器5的有效尺寸S，大于会使测试样品401的部分测试区溢出，不能得到样品全面缺陷状况，小于会使测试样品401测试区域的图像被过多压缩，导致缺陷细节难以分辨。
入射光口径D1经所述望远光学系统压缩后的口径为D2，压缩系数为k，k为第二正透镜4的焦距f2除以第一正透镜2的焦距f1，即k＝f2/f1，望远光学系统出射口径D2＝k D1，k为小于1的数。
想要将投影及纹影二合一光学测试系统作为纹影装置使用时，使图4中的第一正透镜2和第二正透镜4相互靠近，组合成一个纹影系统的照相物镜701，去掉光阑3，如图7所示。图7中，第一正透镜2和第二正透镜4相互间的距离靠得越近，两者构成的照相物镜701的焦距就越短，直到照相物镜701的焦距为纹影测试期望的焦距。
将第一正透镜2和第二正透镜4组合的照相物镜701作为一个整体移动(保持确定的组合关系)，形成照相物镜701对测试样品401中的缺陷成像在探测器5上的光学成像关系(在成像关系构建过程中，测试样品401和探测器5的位置可根据成像的需要调整)，照相物镜701的物距与像距之比为测试样品401的口径与探测器5的有效尺寸之比，如图8所示。测试时，将刀口仪8放在照相物镜701的像方焦点位置处，刀口仪8沿垂直光轴方向移动进行测试。
对于光学材料折射率均匀性的测试，一般先用投影光学系统进行粗略测试，当测试材料的折射率均匀性处于合格边界状态时，还需要纹影光学系统进行半定量的细致测试，另外，从分析材料折射率均匀性问题时，也需要纹影光学系统进行详细分析。本发明使需要应用两种不同光学原理建立的两种光学测试功能的装置在一个装置中实现，大大节省了测试装置的设计和制造费用，同时增加测试装置的功能，方便了测试工作的开展，节省了测试设备的放置空间。
本发明的二合一投影及纹影光学系统不仅可以应用于可见光、红外等光学材料的条纹测试，还可以应用于对气体、液体运动场的均匀性进行测试，可用一台设备完成投影和纹影两种测试设备的功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.投影及纹影二合一光学测试系统，其特征在于，包括平行光源系统(1)、第一正透镜(2)、光阑(3)、第二正透镜(4)、探测器(5)、负透镜(7)、刀口仪(8)和样品台(9)；
其中，所述平行光源系统(1)发出的平行光的均匀性高于预设阈值；所述平行光源系统(1)的光谱在测试样品的透明光谱内且在探测器(5)的工作响应光谱内；
将所述投影及纹影二合一光学测试系统作为投影测试装置使用时，依据光路方向依次放置所述平行光源系统(1)、样品台(9)、第一正透镜(2)、光阑(3)、第二正透镜(4)、探测器(5)，其中在样品台(9)上放置测试样品(401)，采用可变孔径光阑作为所述光阑(3)，用平行光源系统(1)发出的平行光照射放在样品台(9)上的测试样品(401)，在第一正透镜(2)的像方焦点上放置所述光阑(3)，使第二正透镜(4)的物方焦点与第一正透镜(2)的像方焦点重合，形成一个按望远系统放大倍率对入射平行光直径压缩为小直径出行平行光的望远光学系统，所述望远光学系统用于将压缩的出射平行光照射到探测器(5)上；所述望远光学系统的出射口径与探测器(5)的有效探测面尺寸相匹配；第一正透镜(2)的焦距大于第二正透镜(4)的焦距，且第一正透镜(2)的口径大于第二正透镜(4)的口径；
将投影及纹影二合一光学测试系统作为纹影装置使用时，去掉光阑(3)，使第一正透镜(2)和第二正透镜(4)相互靠近，组合成一个纹影系统的照相物镜(701)，所述照相物镜(701)的焦距为纹影测试期望的焦距；并将第一正透镜(2)和第二正透镜(4)组合的照相物镜(701)作为一个整体移动，形成照相物镜(701)对测试样品(401)中的缺陷成像在探测器(5)上的光学成像关系，照相物镜(701)的物距与像距之比为测试样品(401)的口径与探测器(5)的有效尺寸之比，并在测试时在照相物镜(701)的像方焦点位置处放置刀口仪(8)，使刀口仪(8)沿垂直光轴方向移动进行测试。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一正透镜(2)、第二正透镜(4)、负透镜(7)均为透镜组。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平行光源系统(1)的光源采用窄谱光源。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括数据采集、处理及显示系统(6)，用于对探测器(5)感知的数据进行采集、处理及显示。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数据采集、处理及显示系统(6)还用于对探测和采集的测试样品(401)中的条纹数量、面积和灰度进行材料缺陷定性等级评定。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，若要对测试样品(401)进行满口径测试，则第一正透镜(2)的口径设置为大于测试样品(401)的口径。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，将所述投影及纹影二合一光学测试系统作为投影测试装置使用时，将所述第二正透镜(4)换成负透镜(7)，且使所述负透镜(7)的物方焦点与所述第二正透镜(4)的像方焦点重合。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，将所述投影及纹影二合一光学测试系统作为投影测试装置使用时，设计所述望远光学系统的出射口径D2等于探测器(5)的有效尺寸S。
9.如权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，设入射光口径D1经所述望远光学系统压缩后的口径为D2，压缩系数为k，k为第二正透镜(4)的焦距f2除以第一正透镜(2)的焦距f1，即k＝f2/f1，望远光学系统出射口径D2＝k D1，k为小于1的数。
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