CN110686871B - 一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自聚焦透镜领域，具体涉及一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置及方法。一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置，包括相机、显微物镜、自聚焦透镜和导光单元，以及带动导光单元平移的平移台，以及与相机连接的处理单元，所述导光单元上设有条形图。本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过提供一种操作简单、测试快速、自动计算、结果准确客观的自聚焦透镜的数值孔径测量装置及方法，基于计算机处理器对图像数据的处理，实现了高精度的自聚焦透镜数值孔径测量。

Description

一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置及方法

技术领域

本发明涉及自聚焦透镜领域，具体涉及一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置及方法。

背景技术

自聚焦透镜材料又称为梯度变折射率材料，是指其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。自聚焦透镜体积小，重量轻，具有聚焦和准直作用，其耦合效率高。由于自聚焦透镜内的折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量，在某些场合可以代替非球面光学元件。此外，这种光学元件的几何形状简单，容易进行光学加工，且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。

同时，自聚焦透镜由于其特点在集成光学领域如微型光学系统、医用光学仪器、光学复印机、传真机、扫描仪等设备有着广泛的应用。

其中，数值孔径是确定光学系统会聚光功率的重要物理量，其定义是在物空间中半孔径角的正弦值乘以物空间的折射率。自聚焦透镜数值孔径表征了自聚焦透镜端面接收光的能力，是自聚焦透镜的重要参数。

但是，现有现有检测自聚焦透镜数值孔径的方法具有测试速度慢、操作复杂、依靠人工等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置及方法，解决测试速度慢、操作复杂、依靠人工等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置，包括相机、显微物镜、自聚焦透镜和导光单元，以及带动导光单元平移的平移台，以及与相机连接的处理单元，所述导光单元上设有条形图；其中，所述相机、显微物镜和自聚焦透镜共光轴设置；所述条形图通过菲林片制作并形成透光间隙；所述导光单元的光从条形图的透光间隙透出并到达自聚焦透镜，再经过显微物镜入射至相机；所述处理单元获取通过平移台平移距离D所形成的两张图像，并得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度，再结合距离D和两个物面高度，获取自聚焦透镜的数值孔径。

其中，较佳方案是：所述平移台包括一光栅尺，所述平移台沿着光栅尺的方向平移。

其中，较佳方案是：所述导光单元包括导光板以及设置在导光板上的测光源，所述条形图设置在导光板上，所述测光源发光至导光板，并均匀照射至条形图。

其中，较佳方案是：所述条形图为矩形图，并间隔设置有多个透光间隙。

其中，较佳方案是：所述自聚焦透镜为1/4周期长，且其焦点在端面上。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种自聚焦透镜的数值孔径测量方法，所述数值孔径测量方法应用于所述的数值孔径测量装置，其步骤包括：平移台平移距离D，并通过相机获取平移前后的两幅图像；得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度；结合距离D和两个物面高度，获取自聚焦透镜的数值孔径。

其中，较佳方案是，所述得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度的步骤包括：提取图像感兴趣区域，获取感兴趣区域的中心截线上个像素点的灰度信息，以及获取感兴趣区域的中心截线的两个边缘点的位置信息；根据灰度信息确定中心截线上的N个有效峰值的位置信息，并获取对应的位置信息的拟合曲线并且外插峰值点；将边缘点的位置信息回代拟合曲线以得到上边缘和下边缘的长度；将视场纵向占据的N-1个矩形的高度加上上边缘和下边缘的长度，得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度。

其中，较佳方案是，所述结合距离D和两个物面高度获取自聚焦透镜的数值孔径的步骤包括：设置公式

其中，NA为数值孔径，x1和x2分别为各图像的物面高度，θ为感兴趣区域入射至自聚焦透镜的水平夹角。

其中，较佳方案是，所述得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度的步骤还包括：对图像进行预处理；切割图像；提取图像中的感兴趣区域；其中，所述感兴趣区域包括条形图上充满自聚焦透镜视场的区域。

其中，较佳方案是，所述平移台包括一光栅尺，所述平移台沿着光栅尺的方向平移；以及，所述平移台平移距离D并通过相机获取平移前后的两幅图像的步骤包括：将平移台移动至光栅尺的归零处，并通过相机获取当前图像；通过平移台平移距离D，并通过相机获取当前图像。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过提供一种操作简单、测试快速、自动计算、结果准确客观的自聚焦透镜的数值孔径测量装置及方法，基于计算机处理器对图像数据的处理，实现了高精度的自聚焦透镜数值孔径测量；以及，采用了透光间隔相等的矩形条形图作为成像目标，尽可能降低了自聚焦透镜畸变对视场高度测量带来的影响；以及，通过自聚焦透镜视场纵向上占据的标准矩形数来确定实际视场的高度，尽可能避免了场曲对直接通过物像关系计算实际视场高度的影响；以及，通过对截线上峰值点的峰值位置拟合来确定上下边缘在最外侧矩形上的长度，提高了自聚焦透镜视场高度测量的准确性；以及，通过两次数据的测量来计算自聚焦透镜的数值孔径，避免了单次测量可能带来的较大误差；以及，结构稳定、操作简易、重复性好、测量结果准确度高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明自聚焦透镜的数值孔径测量装置的结构示意图；

图2是本发明自聚焦透镜的数值孔径测量方法的流程示意图；

图3是本发明平移台平移距离D并通过相机获取平移前后的两幅图像的流程示意图；

图4是本发明得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度的流程示意图；

图5是本发明数值孔径测量的原理示意图；

图6是本发明所述得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度的流程示意图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1所示，本发明提供一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置的优选实施例。

一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置，包括相机4、显微物镜3、自聚焦透镜2和导光单元，以及带动导光单元平移的平移台，以及与相机4连接的处理单元5，所述导光单元上设有条形图1；其中，所述相机4、显微物镜3和自聚焦透镜2共光轴设置；所述条形图1通过菲林片制作并形成透光间隙；所述导光单元的光从条形图1的透光间隙透出并到达自聚焦透镜2，再经过显微物镜3入射至相机4；所述处理单元5获取通过平移台平移距离D所形成的两张图像，并得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜2视场的物面高度，再结合距离D和两个物面高度，获取自聚焦透镜2的数值孔径。

具体地，导光单元发光，并均匀入射至条形图1上，光从条形图1的透光间隙透出并到达自聚焦透镜2，再经过显微物镜3入射至相机4，通过相机4拍照获取当前图像。其中，将标准的用菲林片制作的矩形条形图1防止在精密平移台上，自聚焦透镜2放置在承物台上，使自聚焦透镜2两端的端面与水平面垂直；相机4优选为CMOS黑白相机。进一步地，显微物镜3的放大倍数为2倍，从而使像面落在接收器尽可能多的像元上，且又不至于超出探测器的接收面，尽可能增大测量的准确性。进一步地，处理单元5优选为计算机处理器。

再参考图2，提供一种自聚焦透镜的数值孔径测量方法的较佳方案。

一种自聚焦透镜2的数值孔径测量方法，所述数值孔径测量方法应用于所述的数值孔径测量装置，其步骤包括：

步骤S10、平移台平移距离D，并通过相机4获取平移前后的两幅图像；

步骤S30、得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜2视场的物面高度；

步骤S40、结合距离D和两个物面高度，获取自聚焦透镜2的数值孔径。

具体地，利用两次测量中菲林片到自聚焦透镜2距离的差值来求解数值孔径，避免了单次测量计算数值孔径可能带来的较大误差。以及，使用计算机处理器对图像数据进行处理，通过拟合中心截线的峰值位置曲线并采用外插峰值点的方法来确定上下边缘在最外侧两矩形上的长度，大大提高了数据的准确度。

在本实施例中，所述平移台包括一光栅尺，所述平移台沿着光栅尺的方向平移，平移台移动方向是相机4、显微物镜3、自聚焦透镜2的同轴直线方向。

再参考图3，所述平移台平移距离D并通过相机4获取平移前后的两幅图像的步骤包括：

步骤S11、将平移台移动至光栅尺的归零处，并通过相机4获取当前图像；

步骤S12、通过平移台平移距离D，并通过相机4获取当前图像。

具体地，先将光栅尺示数头归零，调用摄像头采集一帧图像送至计算机处理器；然后将矩形条形图1所在的精密平移台移动一段距离D,读出光栅尺示数头读数输入计算机操作界面并调用摄像头采集一帧图像送至计算机处理器。

在本实施例中，所述导光单元包括导光板以及设置在导光板上的测光源，所述条形图1设置在导光板上，所述测光源发光至导光板，并均匀照射至条形图1。具体地，用单色侧光源照明导光板，使光正向打在矩形条形图1上，物光从不透明矩形之间的间隙透过到达自聚焦透镜2成像于后断面，再经二倍显微物镜放大成像于CMOS黑白相机接收面上。

进一步地，所选用的是材质为菲林片的矩形条形图1，不透光的矩形长度为20cm,高度为1cm,矩形间有0.2mm的纵向透光间隔。进一步地，所选用的侧光源为中心波长为630nm的LED灯带，功率为12瓦，用于测量指定波长下自聚焦透镜2的数值孔径。进一步地，所述条形图1为矩形图，并间隔设置有多个透光间隙。

在本实施例中，所述自聚焦透镜2为1/4周期长，且其焦点在端面上。

在本实施例中，并参考图4，所述得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜2视场的物面高度的步骤包括：

步骤S31、提取图像感兴趣区域，获取感兴趣区域的中心截线上个像素点的灰度信息，以及获取感兴趣区域的中心截线的两个边缘点的位置信息；

步骤S32、根据灰度信息确定中心截线上的N个有效峰值的位置信息，并获取对应的位置信息的拟合曲线并且外插峰值点；

步骤S33、将边缘点的位置信息回代拟合曲线以得到上边缘和下边缘的长度；

步骤S34、将视场纵向占据的N-1个矩形的高度加上上边缘和下边缘的长度，得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜2视场的物面高度。

其中，提取感兴趣区域部分纵向中心截线的灰度信息，根据这些灰度信息拟合曲线得到截线上峰值的个数为N,即中心截线在纵向上涵盖了N个在矩形之间的透光间隙，确定自聚焦透镜2视场纵向占据的完整矩形数为N-1个；以及，利用这N个峰值点的位置信息拟合峰值位置曲线并且外插峰值点以便接下来确定边缘点在矩形条形图1上的实际位置。

进一步地，并参考图5，所述结合距离D和两个物面高度获取自聚焦透镜2的数值孔径的步骤包括：设置公式

其中，NA为数值孔径，x1和x2分别为各图像的物面高度的一半，θ为感兴趣区域入射至自聚焦透镜2的水平夹角。

在本实施例中，并参考图6，所述得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜2视场的物面高度的步骤还包括：

步骤S41、对图像进行预处理，切割图像；

步骤S42、提取图像中的感兴趣区域；其中，所述感兴趣区域包括条形图1上充满自聚焦透镜2视场的区域。

以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (10)

1.一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置，其特征在于：包括相机、显微物镜、自聚焦透镜和导光单元，以及带动导光单元平移的平移台，以及与相机连接的处理单元，所述导光单元上设有条形图；其中，

所述相机、显微物镜和自聚焦透镜共光轴设置；

所述条形图通过菲林片制作并形成透光间隙；

所述导光单元的光从条形图的透光间隙透出并到达自聚焦透镜，再经过显微物镜入射至相机；

所述处理单元获取通过平移台平移距离D所形成的两张图像，并得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度，再结合距离D和两个物面高度，获取自聚焦透镜的数值孔径。

2.根据权利要求1所述的数值孔径测量装置，其特征在于：所述平移台包括一光栅尺，所述平移台沿着光栅尺的方向平移。

3.根据权利要求1所述的数值孔径测量装置，其特征在于：所述导光单元包括导光板以及设置在导光板上的测光源，所述条形图设置在导光板上，所述测光源发光至导光板，并均匀照射至条形图。

4.根据权利要求1或3所述的数值孔径测量装置，其特征在于：所述条形图为矩形图，并间隔设置有多个透光间隙。

5.根据权利要求1所述的数值孔径测量装置，其特征在于：所述自聚焦透镜为1/4周期长，且其焦点在端面上。

6.一种自聚焦透镜的数值孔径测量方法，其特征在于，所述数值孔径测量方法应用于如权利要求1至5任一所述的数值孔径测量装置，其步骤包括：

平移台平移距离D，并通过相机获取平移前后的两幅图像；

得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度；

结合距离D和两个物面高度，获取自聚焦透镜的数值孔径。

7.根据权利要求6所述的数值孔径测量方法，其特征在于，所述得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度的步骤包括：

提取图像感兴趣区域，获取感兴趣区域的中心截线上个像素点的灰度信息，以及获取感兴趣区域的中心截线的两个边缘点的位置信息；

根据灰度信息确定中心截线上的N个有效峰值的位置信息，并获取对应的位置信息的拟合曲线并且外插峰值点；

将边缘点的位置信息回代拟合曲线以得到上边缘和下边缘的长度；

将视场纵向占据的N-1个矩形的高度加上上边缘和下边缘的长度，得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度。

8.根据权利要求7所述的数值孔径测量方法，其特征在于，所述结合距离D和两个物面高度获取自聚焦透镜的数值孔径的步骤包括：

设置公式

其中，NA为数值孔径，x1和x2分别为各图像的物面高度，θ为感兴趣区域入射至自聚焦透镜的水平夹角。

9.根据权利要求7所述的数值孔径测量方法，其特征在于，所述得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜视场的物面高度的步骤还包括：

对图像进行预处理；

切割图像；

提取图像中的感兴趣区域；其中，所述感兴趣区域包括条形图上充满自聚焦透镜视场的区域。

10.根据权利要求6所述的数值孔径测量方法，其特征在于，所述平移台包括一光栅尺，所述平移台沿着光栅尺的方向平移；以及，所述平移台平移距离D并通过相机获取平移前后的两幅图像的步骤包括：

将平移台移动至光栅尺的归零处，并通过相机获取当前图像；

通过平移台平移距离D，并通过相机获取当前图像。

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