CN111442908B - 检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置及方法,所述检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置包括密封单元;所述密封单元内的底部固定有光源,所述光源的正上方设有三维平移单元,所述三维平移单元上活动连接有载物台,所述载物台上固定有光纤传像元件,所述光学暗箱内的顶部固定有亮度计,所述亮度计包括外壳,所述外壳内自下而上依次设置有镜头单元、显微单元及传感芯片单元。本发明所提供的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置及方法,能够测量出与人眼感官相一致的光纤传像元件的透过率与均匀度值,测量的光纤传像元件的直径范围为10mm~100mm,可以为光纤传像元件性能的评价提供支撑。
Description
技术领域
本发明涉及光亮度测量领域,特别涉及一种检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置及方法。
背景技术
光纤传像元件(如光纤面板、倒像器、光锥等)是一种由数万甚至数十万根直径大于2μm,小于10μm的光学纤维组成的光纤材料棒束,其数值孔径可以达到1.0,远高于镜头中透镜系统所能达到的数值孔径值,具有很高的集光能力,几乎可以将前方180°范围内入射的光线全部收入光线内部并传输。光纤传像元件作为光电倍增管等光电增强设备的重要元件,目前已被广泛应用于夜视仪器、医学成像器械等设备当中。
光纤传像元件可以通过可见光将图像从元件的一端传递至另一端并实现图像的放大、缩小或者旋转等功能,其成像质量的好坏主要依靠光透过率、均匀度等参数。然而目前国内与国际上对于在可见光波段工作的光纤传像元件的透过率并未有一套统一的测量规范与测量装置,测量方法也各不相同,这造成了各个国家、公司与单位之间对于光纤传像元件的评价标准并不统一,分歧较大,是一直阻碍光纤传像元件技术交流与提升的重要原因之一。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供了一种检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置及方法,能够测量出与人眼感官相一致的光纤传像元件的透过率与均匀度值,其可测量的光纤传像元件的直径范围为10mm~100mm。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,所述检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置包括密封单元;所述密封单元内的底部固定有光源,所述光源的正上方设有三维平移单元,所述三维平移单元上活动连接有载物台,所述载物台上固定有光纤传像元件,所述光学暗箱内的顶部固定有亮度计,所述亮度计包括外壳,所述外壳内自下而上依次设置有镜头单元、显微单元及传感芯片单元。
本发明的目的及解决其技术问题进一步是采用以下技术方案来实现的。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述密封单元为光学暗箱;所述光学暗箱的透过率小于0.1%。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述光源为高均匀度的光源,其由多数个LED灯珠串并联混连为多个阵列,每个所述LED灯珠的外侧铺设有一层导光材料。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述光源为由数百个色温6000-10000K的LED小灯珠经串并联混连、贴合制成;所述导光材料为聚碳酸酯材料,其尺寸恰好覆盖LED灯珠。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述三维平移单元为三维平移台,其移动精度为1微米,且所述三维平移单元能在x,y,z三轴移动。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述三维平移单元上可拆卸地连接有载物台,所述载物台为中空的阶梯式结构。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述亮度计上还设有相机;所述镜头单元、显微单元及传感芯片单元三者为共轴设置,且光线从所述显微单元射出后能刚好全部照射在所述芯片单元上,所述光纤传像元件设置于镜头单元的焦距处。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置还包括与三维平移单元连接的控制单元,所述控制单元为控制器。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述光纤传像元件选自光锥、倒像器、光纤面板或光锥板,其直径范围为为10mm~100mm;所述光纤传像元件的内部由数万根的光纤单丝紧密排列而成,单丝直径均大于2μm。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述亮度计还连接有位于光学暗箱外、用于透过率与均匀度的计算的计算单元,所述计算单元与传感芯片单元连接;所述计算单元为电脑。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述传感芯片单元为亮度传感芯片。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述亮度传感器芯片的单元尺寸小于2μm*2μm。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述亮度计悬挂在光学暗箱内的顶部。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述显微单元具有几下几种放大倍数,光学放大10倍,20倍,50倍三种选择,电子放大10倍,20倍两种选择,总放大倍数为两种放大倍数相乘,即100倍~1000倍共六种选择。
作为优选,前述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其中所述镜头单元共有焦距为35mm,50mm和100mm三种规格镜头,每种镜头最远成像距离为5000mm。
本发明的目的及解决其技术问题进一步是采用以下技术方案来实现的。
依据本发明提出的一种检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的方法,包括以下步骤:
1)首先通过三维平移单元(x,y,z三轴移动,精度1μm)对光源、亮度计、光纤传像元件进行位置归零,使三者共轴;调节z轴焦距,使光纤传像元件的像清晰地被聚焦在亮度计自带的相机上;
2)打开光源,先测量未放置光纤传像元件的指定区域的三个实际亮度值R1,G1,B1,然后将加权系数与三个实际亮度值相乘并相加得到视觉亮度矩阵I1;再将光纤传像元件放置于光源和亮度计之间的载物台内,重复之前的测量过程得到放入光纤传像元件后的三个实际亮度值R2,G2,B2,然后将加权系数与三个实际亮度值相乘并相加得到视觉亮度矩阵I2;
所述视觉亮度矩阵I1=1*R1+4.59*G1+0.06*B1;
所述视觉亮度矩阵I2=1*R2+4.59*G2+0.06*B2;
其中,1,4.59及0.06均为加权系数;
3)对两次测量得到的视觉亮度矩阵I1、I2分别进行求均值操作,将放置光纤传像元件后的亮度均值Iav2与放置光纤传像元件前的亮度均值Iav1相除再乘以100%,所得结果即为光纤传像元件的可见光透过率;
所述光纤传像元件的可见光透过率T=Iav2/Iav1*100%。
4)将放置光纤传像元件后所获得的视觉亮度矩阵I2按照小于2μm*2μm的尺寸分割成n个子区域,对于每个子区域都进行取极大值Imax、极小值Imin与均值Iav操作,用每个子区域的极大值Imax减去该子区域的极小值Imin再除以该子区域的均值Iav可得到该子区域的均匀度,对所有的子区域均匀度取均值A即为光纤传像元件的均匀度值;
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
1、本发明所提供的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置及方法,能够测量出与人眼感官相一致的光纤传像元件的透过率与均匀度值,测量的光纤传像元件的直径范围为10mm~100mm,可以为光纤传像元件性能的评价提供支撑。
2.本发明所提供的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置及方法,测量的是可见光波段的透过率与均匀度,而其它测量装置都是用于测量X射线波段、紫外线波段与红外波段的透过率,没有考虑人眼的感知效果。
3.本发明所提供的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其亮度计使用的芯片的单元尺寸小于2μm*2μm,是专门针对光纤传像元件中的单丝而设计,必须要保证芯片的单元尺寸比单丝的尺寸小(单丝直径大于2μm,通常为5μm),这样才能保证每一根单丝发出的光能够被不止一个单元采集到。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置的结构示意图;
图2为本发明所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置中的亮度计的结构示意图;
图3为本发明所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置中的光纤传像元件及其内部结构示意图;其中(a)光锥;(b)倒像器;(c)光纤面板;(d)光锥板;
图4为本发明所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置中的传感芯片单元获得的亮度值矩阵图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例,对依据本发明提出的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置的具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明如后。
如图1-图2所示,本发明提供了一种检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,所述检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置包括密封单元9;所述密封单元9内的底部固定有光源1,所述光源1的正上方设有三维平移单元2,所述三维平移单元2上活动连接有载物台3,所述载物台3上固定有光纤传像元件4,所述密封单元9内的顶部固定有亮度计8,所述亮度计8包括外壳,所述外壳内自下而上依次设置有镜头单元5、显微单元6及传感芯片单元7,三者为共轴放置,要求光线从显微单元6射出后能刚好全部照射传感芯片单元7上,如图2所示,光纤传像元件4必须放置在镜头单元5的焦距处。所述镜头单元5可用于对光纤传像元件上的图像或光斑进行聚焦,所述显微单元6包括旋转台、物镜及目镜(放大倍率可调),用于对镜头中的像进行放大与缩小操作;所述物镜和目镜悬挂于旋转台上,需要什么倍数的目镜和物镜直接扭转旋转台即可实现转换。所述传感芯片单元7用于接收光线。
具体实施时,所述显微单元6(目镜与物镜组合)可以有几下几种放大倍数,如光学放大10倍,20倍,50倍三种选择,电子放大10倍,20倍两种选择,总放大倍数为两种放大倍数相乘,即100倍~1000倍共六种选择;如果放大倍数更大,视场会变得更小,不利于均匀性和透过率检测。该些倍数选择为较佳选择。
具体实施时,所述镜头单元5共有焦距为35mm,50mm和100mm三种规格镜头(具体参数见表1),每种镜头最远成像距离为5000mm(即物体与镜头之间的距离),在同样成像距离下焦距越小测量的物体的范围越宽,最宽范围为3833mm*2555mm,最小范围为46mm*31mm。
表1
具体实施时,所述密封单元9可以为光学暗箱,其可用于遮光处理;所述光学暗箱的透过率小于0.1%,以保障该装置不会被外界光线干扰。
具体实施时,所述光源1为高均匀度的光源,其由多数个LED灯珠串并联混连为多个阵列,每个所述LED灯珠的外侧铺设有一层均匀性较好的导光材料,以保障光源的均匀性;所述导光材料可以选择聚碳酸酯材料,其尺寸恰好覆盖LED灯珠,具体可以为100mm*100mm。光线从光源射出后仍然不均匀,需要有一层导光材料使其发出的光线变得均匀,基本可以看做完全均匀。选用其它材料或者不放置该类材料可能达不到这种均匀性。
所述光源1可用于提供检测所需的高度均匀平行光;在本实施例中,所述光源1可以具体设计为由数百个色温6000-10000K的LED小灯珠经串并联混连、贴合制成,可照射出平行度比较高的光,寿命为三万小时以上。
具体实施时,所述三维平移单元2可以为三维平移台,移动精度为1微米,其选自现有技术,具体结构在此不再赘述。所述三维平移单元2可在x,y,z三轴移动,可用于对载物台3和光纤传像元4件进行三维的平移操作。
具体实施时,所述三维平移单元2上可拆卸地连接有载物台3,所述载物台3为中空的阶梯式结构,其可用于放置承载光纤传像元件4,同时需要设计为中空的阶梯式结构使光线能够不被载物台3阻挡,穿过光纤传像元件4。
具体实施时,所述亮度计8上还设有相机,以用于采集实际光强;所述镜头单元5、显微单元6及传感芯片单元7三者为共轴设置,且光线从所述显微单元6射出后能刚好全部照射在所述传感芯片单元7上,所述光纤传像元件4设置于镜头单元5的焦距处。
具体实施时,所述检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置还包括与三维平移单元2连接的控制单元10,所述控制单元10为控制器,其用于操控三维平移单元2的移动;测量时需要光纤传像元件4与亮度计8的镜头单元5共轴,因此需要三维平移台调整光纤传像元件4的位置,以方便对焦。
具体实施时,所述光纤传像元件4可以为如图3所示的几种:光锥(图3(a),可实现图像的放大与缩小),倒像器(图3(b)可实现图像的180°旋转),光纤面板(图3(c)具有高效的耦合效率),光锥板(图3(d))等,其尺寸为10mm~100mm;该些光纤传像元件内部由几万根的光纤单丝紧密排列而成,为了获得较高的传像分辨率,单丝直径都均大于2μm。由于单根光纤丝直径大于2μm,以光纤面板为例,通常情况在5~6μm左右,因此亮度传感芯片的单元尺寸必须小于2μm才能保证在采光时每一根单丝发出的光线都被采集到。由于采集到的亮度数据还需要进行数据的转换与运算,最终得到的数据会受到亮度传感芯片与曲线的制约,因此最终图像的像素大于900万。若光纤传像元件的测量区域为1000万像素的数据分辨能力为3.2μm*3.2μm。
具体实施时,所述亮度计8还连接有位于光学暗箱外的计算单元11,所述计算单元11与传感芯片单元7连接;所述计算单元11可以为电脑,其用于透过率与均匀度的计算;控制单元和计算单元设置在暗箱外部是为了便于人工操作三维平移台的运动和处理数据,不用打开暗箱即可完成平移与运算。
具体实施时,所述传感芯片单元7可以为亮度传感芯片。在本实施例中,所述亮度传感器芯片的单元尺寸(小于2μm*2μm)均小于光纤传像元件中单根光纤丝直径(大于2μm,通常为5μm),获得的图像像素大于1000万像素,以光纤面板为例,选取的光纤传像元件亮度测量面积为能够保证在亮度的实测值每隔3.2μm就有一组亮度数据。高均匀度的光源发出的光线可被近似看做平行光从光源1射出后经过亮度计8的镜头单元5的聚光到达传感芯片单元7上,由于传感芯片单元7是二维阵列扫描芯片,因此可以直接获得光线的二维阵列亮度值,为了符合人眼的视觉标准,光线的二维阵列亮度值需要与亮度计8自带的、经过高精度校准的加权系数进行计算可以得到该片区域符合人眼感官特点的视觉亮度值。光纤传像元件4发出的光射入镜头单元5后,经过显微单元6传递到传感芯片单元7上,其中镜头单元5、显微单元6及传感芯片单元7之间的距离固定,均被固定在亮度计8的外壳内,传感芯片单元7处于镜头单元5与显微单元6组成的焦平面上,镜头单元5与显微单元6组合获得的像刚好能被传感芯片单元7接收。
具体实施时,所述亮度计8可以悬挂在光学暗箱内的顶部,悬挂在顶部可让亮度计8和光纤传像元件4共轴放置,同时增加亮度计8在暗箱中放置的稳定性。
本发明还提供了一种检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的方法,包括以下步骤:
1)首先通过三维平移单元2(x,y,z三轴移动,精度1μm)对光源1、亮度计8、光纤传像元件4进行位置归零,使三者共轴;调节z轴焦距(调节光纤传像元件4的z轴高度,使其处于镜头单元5的焦距位置上),使光纤传像元件4的像清晰地被聚焦在亮度计8自带的相机上;
2)打开光源,先测量未放置光纤传像元件4的指定区域的三个实际亮度值R1,G1,B1,然后将加权系数与三个实际亮度值相乘并相加得到视觉亮度矩阵I1;再将光纤传像元件4放置于光源1和亮度计8之间的载物台3内,重复之前的测量过程得到放入光纤传像元件4后的三个实际亮度值R2,G2,B2,然后将加权系数与三个实际亮度值相乘并相加得到视觉亮度矩阵I2;
所述视觉亮度矩阵I1=1*R1+4.59*G1+0.06*B1;
所述视觉亮度矩阵I2=1*R2+4.59*G2+0.06*B2;
其中,1,4.59及0.06均为加权系数。
3)对两次测量得到的视觉亮度矩阵I1、I2分别进行求均值操作,将放置光纤传像元件4后的亮度均值Iav2与放置光纤传像元件4前的亮度均值Iav1相除再乘以100%,所得结果即为光纤传像元件的可见光透过率;
所述光纤传像元件的可见光透过率T=Iav2/Iav1*100%。
4)将放置光纤传像元件4后所获得的视觉亮度矩阵I2按照小于2μm*2μm的尺寸分割成n个子区域,对于每个子区域都进行取极大值Imax、极小值Imin与均值Iav操作,用每个子区域的极大值Imax减去该子区域的极小值Imin再除以该子区域的均值Iav可得到该子区域的均匀度,对所有的子区域均匀度取均值A即为光纤传像元件的均匀度值;
通常情况下取1μm*1μm大小的矩阵,设共有n个子区域。
图4为本发明所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置中的传感芯片单元获得的亮度值矩阵图,其展示的是最终获得的全场亮度值,可以通过常规的Matlab软件选取制定区域的亮度值进行求均值、相除等计算。从图4中可以看出,该亮度矩阵的最大值为0.384cd/m2,最小值为0.003cd/m2,矩阵图像分辨率为4596*2064的像素,因此可以根据像素与实际光纤元件尺寸进行换算,得到所需区域的亮度均值;例如若拍摄区域为45.96mm*20.64mm,矩阵大小为4596*2064,则水平方向和竖直方向的两个相邻像素点之间的距离为0.01mm,以此类推。
本发明的说明书中,说明了大量具体细节。然而,能够理解,本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实施例中,并未详细示出公知的方法、结构和技术,以便不模糊对本说明书的理解。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其特征在于,所述检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置包括密封单元;所述密封单元内的底部固定有光源,所述光源的正上方设有三维平移单元,所述三维平移单元上活动连接有载物台,所述载物台上固定有光纤传像元件,所述密封单元为光学暗箱,所述光学暗箱内的顶部固定有亮度计,所述亮度计包括外壳,所述外壳内自下而上依次设置有镜头单元、显微单元及传感芯片单元;所述传感芯片单元为亮度传感芯片,所述亮度传感器芯片的单元尺寸小于2μm*2μm;所述光纤传像元件的直径范围为10mm~100mm;
所述装置检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的方法,包括以下步骤:
1)首先通过三维平移单元对光源、亮度计、光纤传像元件进行位置归零,使三者共轴;调节z轴焦距,使光纤传像元件的像清晰地被聚焦在亮度计自带的相机上;
2)打开光源,先测量未放置光纤传像元件的指定区域的三个实际亮度值R1,G1,B1,然后将加权系数与三个实际亮度值相乘并相加得到视觉亮度矩阵I1;再将光纤传像元件放置于光源和亮度计之间的载物台内,重复之前的测量过程得到放入光纤传像元件后的三个实际亮度值R2,G2,B2,然后将加权系数与三个实际亮度值相乘并相加得到视觉亮度矩阵I2;
3)对两次测量得到的视觉亮度矩阵I1、I2分别进行求均值操作,将放置光纤传像元件后的亮度均值Iav2与放置光纤传像元件前的亮度均值Iav1相除再乘以100%,所得结果即为光纤传像元件的可见光透过率;
4)将放置光纤传像元件后所获得的视觉亮度矩阵I2按照小于2μm*2μm的尺寸分割成n个子区域,对于每个子区域都进行取极大值Imax、极小值Imin与均值Iav操作,用每个子区域的极大值Imax减去该子区域的极小值Imin再除以该子区域的均值Iav得到该子区域的均匀度,对所有的子区域均匀度取均值A即为光纤传像元件的均匀度值;
2.如权利要求1所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其特征在于,所述光学暗箱的透过率小于0.1%。
3.如权利要求1所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其特征在于,所述光源为高均匀度的光源,其由多数个LED灯珠串并联混连为多个阵列,每个所述LED灯珠的外侧铺设有一层导光材料。
4.如权利要求3所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其特征在于,所述光源为由数百个色温6000-10000K的LED灯珠经串并联混连、贴合制成;所述导光材料为聚碳酸酯材料,其尺寸恰好覆盖LED灯珠。
5.如权利要求1所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其特征在于,所述三维平移单元为三维平移台且能在x,y,z三轴移动,其移动精度为1微米;所述三维平移单元上可拆卸地连接有载物台,所述载物台为中空的阶梯式结构。
6.如权利要求1所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其特征在于,所述亮度计上还设有相机;所述镜头单元、显微单元及传感芯片单元三者为共轴设置,且光线从所述显微单元射出后能刚好全部照射在所述传感芯片单元上,所述光纤传像元件设置于镜头单元的焦距处。
7.如权利要求1所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其特征在于,所述检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置还包括与三维平移单元连接的控制单元,所述控制单元为控制器。
8.如权利要求1所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其特征在于,所述光纤传像元件选自光锥、倒像器、光纤面板或光锥板;所述光纤传像元件的内部由数万根的光纤单丝紧密排列而成,单丝直径均大于2μm。
9.如权利要求1所述的检测光纤传像元件的可见光透过率与均匀度的装置,其特征在于,所述亮度计还连接有位于光学暗箱外、用于透过率与均匀度的计算的计算单元,所述计算单元与传感芯片单元连接;所述计算单元为电脑;所述亮度计悬挂在光学暗箱内的顶部。
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