CN111735613A - 四象限探测器镜头的光学质量检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四象限探测器镜头的光学质量检测系统，包括激光器、整形扩束准直镜头、被测四象限探测器镜头、毛玻璃、显微镜头、面阵图像传感器、精密转台以及显示器及图像处理软件。激光器发出的高斯激光光束经过整形扩束准直镜头后整形成为平顶光束，入射到被测四象限探测器镜头上，在镜头的探测面放置毛玻璃，用显微镜头将毛玻璃散射的光斑信息成像到面阵图像传感器上，并将信号采集处理在显示器及图像处理软件上显示，被测四象限探测器镜头、毛玻璃、显微镜头与面阵图像传感器共同固定在精密转台上，通过旋转精密转台角度探测被测镜头不同视场的光斑信息，可用于四象限探测器镜头产品光学质量批量测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学质量检测系统，尤其涉及一种四象限探测器镜头的光学质量检测系统。
背景技术
四象限探测器常作为光斑位置传感器，具有响应快和测量精度高的优点。四象限探测器镜头位于四象限探测器前，将入射光束聚焦到四象限探测器光敏面上，通过计算光斑在四象限探测器光敏面的位置来定位目标方位，因此四象限探测器镜头的光学质量决定了目标定位的精度。
目前，四象限探测系统的检测方法是整机检测，并没有单独四象限探测器镜头光学质量的检测方法。然而，如果整机检测不合格，就无法分清是镜头质量的问题，还是探测器以及处理电路的问题，给批量生产四象限探测系统带来麻烦。
因此，研发一种四象限探测器镜头的光学质量检测系统，就显得非常重要。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，目的是提供一种四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其成本低廉，操作简单，测量准确且迅速。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种四象限探测器镜头的光学质量检测系统，由一端至另一端依次包括激光器、整形扩束准直镜头、被测四象限探测器镜头、毛玻璃、显微镜头、面阵图像传感器和显示器及图像处理软件，所述激光器发出的高斯光束经过整形扩束准直镜头后整形为所需口径平顶光束，入射到被测四象限探测器镜头上，在被测镜头的探测面放置一毛玻璃，用一显微镜头将毛玻璃散射的光斑信息成像到面阵图像传感器上，并将信号采集处理在显示器图像处理软件中显示；被测四象限探测器镜头、毛玻璃、显微镜头与面阵图像传感器共同固定在精密转台上，通过旋转精密转台角度探测被测镜头不同视场的光斑信息。
进一步地，所述激光器出射可见或近红外波长的连续激光。
进一步地，所述面阵图像传感器为CCD/CMOS相机或近红外相机。
进一步地，所述整形扩束准直镜头将激光器发出的高斯光束整形扩束准直为所需光束口径的均匀强度平顶光束。
进一步地，所述显微镜头将四象限探测器镜头探测面上毛玻璃散射的光斑信息成像在面阵图像传感器上，通过分析光斑质量判定四象限探测器镜头光学质量。
进一步地，沿着光路传播方向，所述毛玻璃前表面的粗糙度大于0.05微米，后表面粗糙度小于0.012微米。
进一步地，所述显微镜头的物高大于被测四象限探测器镜头探测面有效探测口径。
进一步地，所述显微镜头的像高小于面阵图像传感器的光敏面尺寸。
进一步地，所述光斑信息包括光斑位置、形状尺寸及均匀度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，通过将高斯整形、毛玻璃散射与显微成像相结合，发明了一种能够对四象限探测器镜头光学质量进行单独检测的装置。相比于四象限探测系统整机测试方法，本发明可以单独判断四象限探测器镜头光学质量的好坏，具有单独测量、操作方便、数据准确等显著优点。在对四象限探测器的光学镜头进行大规模批量生产时，本发明能够迅速且简单直接地测量出镜头探测面光斑的位置、形状尺寸及均匀度等信息，进而便于挑选优良品质的光学镜头，使产品的质量得到大幅度提升，并提高产品整机的测试效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的四象限探测器镜头的光学质量检测系统的整体结构示意图。
图2为本发明实施例提供的整形扩束准直镜头的光学结构图。
图3为本发明实施例提供的整形扩束准直镜头入射端能量分布图。
图4为本发明实施例提供的整形扩束准直镜头出射端能量分布图。
图5为本发明实施例提供的显微镜头的光学结构图。
图6为本发明实施例提供的显微镜头的光学传递函数图。
附图标记说明：
1、激光器；2、毛玻璃；3、面阵图像传感器；4、显示器及图像处理软件；5、高精密转台；6、整形扩束准直镜头；7、被测四象限探测器镜头；8、显微镜头。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细介绍。
如图1所示，本发明提供的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，包括一激光器1，一整形扩束准直镜头6，一被测四象限探测器镜头7，一毛玻璃2，一显微镜头8，一面阵图像传感器(带处理电路)3，一显示器及图像处理软件4，一高精密转台5。所述激光器1发出的高斯光束经过整形扩束准直镜头6后整形扩束准直为平顶光束,均匀入射到被测四象限探测器镜头7上，在四象限探测器镜头7探测面上放置一毛玻璃2，通过毛玻璃散射使被测四象限探测器镜头7探测面上光斑信息显现出来，通过显微镜头8，将所述毛玻璃2上显现的物成像到面阵图像传感器3上，并通过处理电路传输到显示器及图像处理软件4。被测四象限探测器镜头7、毛玻璃2、显微镜头8与面阵图像传感器3共同固定在精密转台5上，通过旋转精密转台角度探测被测镜头不同视场的光斑信息。
所述激光器出射可见(400-700nm)或近红外(700-2500nm)波长、高斯束腰直径大于0.1mm的连续激光，本系统都适用。出射波长400-1100nm的激光器相应的可使用CCD/CMOS相机作为面阵图像传感器，出射波长700-2500nm的激光器相应的可使用近红外相机作为面阵图像传感器。在本实施例中，所述激光器1产生波长为1064nm、高斯束腰直径为3mm的连续激光，作为系统的光源；采用近红外增强响应的CMOS相机作为面阵图像传感器。
所述整形扩束准直镜头将激光器发出的高斯光束整形扩束准直为所需光束口径的均匀强度平顶光束。优选整形扩束准直口径大于5mm的平顶光束。具体多少口径由被测四象限探测器镜头口径决定，比如被测四象限探测器镜头口径是40mm，那么整形扩束准直的平顶光束口径要大于40mm。在本实施例中，所述整形扩束准直镜头将激光器1发出的高斯光束进行扩束准直整形为35mm的平顶光束，整形扩束准直镜头的光学结构图可参见附图2，镜头总长为298.95mm。所述高斯光束的能量分布在经过整形扩束准直后变为均匀分布，可参见附图3和图4。整形扩束准直镜头从物方(OBJ)到像方(IMA)的所有透镜的每个面的表面类型、曲率半径、厚度、玻璃折射率以及阿贝常数等相关参数见表1,其中整形扩束准直镜头第7、9面的偶次非球面面形方程如公式(1)，非球面参数数值见表2。
表1整形扩束准直镜头从物方(OBJ)到像方(IMA)每个面的相关参数
本实施例中偶次非球面面形方程如下：
上式中Z为非球面矢高；c为透镜表面曲率半径的倒数；h表示透镜表面上的径向高度；k为圆锥系数，a1、a2、a3、a4为高阶非球面系数。
表2第7、9面的偶次非球面参数数值
| 面序号 | k | a1 | a2 | a3 | a4 |
| 7 | -3.972 | -6.72E-03 | 1.004E-03 | -1.615E-05 | 1.498E-07 |
| 9 | -3.989 | -8.87E-04 | 2.288E-06 | -1.353E-11 | -1.353E-11 |
所述被测四象限探测器镜头的口径根据产品需求而定。被测四象限探测器镜头的入瞳优选大于5mm，在本实施例中，所述被测四象限探测器镜头的入瞳为33mm，略小于所述整形扩束准直镜头6出射的准直光束口径。高斯激光经整形扩束准直镜头出射光束被四象限探测器镜头7接收，并在其探测面上形成光斑，探测面的有效区域为15mm。
将所述毛玻璃2放在所述四象限探测器镜头的探测面上，其厚度为1.8mm，通光口径为17mm，前表面(与被测镜头7探测面重合)粗糙度为3.2微米，后表面粗糙度为0.012微米，即光学镜面粗糙度。
用所述显微镜头8将所述毛玻璃2散射的光斑信息成像到面阵图像传感器上。本实施例中显微镜头的光学结构可参见附图5，显微镜头物高为16mm，像高为3.15mm，放大率为5.08倍，数值孔径为0.17，焦距为24.1mm，总长175mm。显微镜头的光学传递函数(MTF)在85线对处大于0.5，参见附图6，满足应用的分辨率要求。本实施例设计的显微镜头从物方(OBJ)到像方(IMA)的所有透镜的每个面的表面类型、曲率半径、厚度、玻璃折射率以及阿贝常数等相关参数见表3，其中第8、10、11、12面的偶次非球面参数见表4。
表3显微镜头从物方(OBJ)到像方(IMA)每个面的相关参数
表4第8、10、11、12面的偶次非球面参数
| 面序号 | k | a1 | a2 | a3 | a4 |
| 8 | -0.222 | -5.640E-05 | -8.983E-07 | 7.248E-09 | -4.614E-11 |
| 10 | 0.017 | -1.123E-04 | -4.052E-07 | -1.53E-09 | 2.749E-12 |
| 11 | 6.239E-04 | 1.885E-03 | 3.418E-06 | -1.328E-08 | 7.963E-11 |
| 12 | 0.652 | 1.638E-04 | 5.765E-04 | -1.388E-05 | 7.936E-07 |
所述面阵图像传感器3选用豪威夜鹰科技的近红外增强响应的CMOS传感器OS02C10，感光尺寸为5.6mm×3.2mm。通过处理电路采集CMOS光敏面上获取的光信息，将信号在显示屏及图像处理软件4上进行分析显示即可测量出被测四象限镜头探测面上的光斑位置、形状尺寸及均匀度等信息，并且通过旋转精密转台5的角度可以探测被测四象限镜头不同视场角度的光斑信息，进而评估被测四象限探测器镜头的综合光学质量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其特征在于，由一端至另一端依次包括激光器、整形扩束准直镜头、被测四象限探测器镜头、毛玻璃、显微镜头、面阵图像传感器和显示器及图像处理软件，所述激光器发出的高斯光束经过整形扩束准直镜头后整形为所需口径平顶光束，入射到被测四象限探测器镜头上，在被测镜头的探测面放置一毛玻璃，用一显微镜头将毛玻璃散射的光斑信息成像到面阵图像传感器上，并将信号采集处理在显示器图像处理软件中显示；被测四象限探测器镜头、毛玻璃、显微镜头与面阵图像传感器共同固定在精密转台上，通过旋转精密转台角度探测被测镜头不同视场的光斑信息。
2.根据权利要求1所述的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其特征在于，所述激光器出射可见或近红外波长的连续激光。
3.根据权利要求2所述的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其特征在于，所述面阵图像传感器为CCD/CMOS相机或近红外相机。
4.根据权利要求1所述的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其特征在于，所述整形扩束准直镜头将激光器发出的高斯光束整形扩束准直为所需光束口径的均匀强度平顶光束。
5.根据权利要求1所述的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其特征在于，所述显微物镜将四象限探测器镜头探测面上毛玻璃散射的光斑信息成像在面阵图像传感器上，通过分析光斑质量判定四象限探测器镜头光学质量。
6.根据权利要求5所述的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其特征在于，沿着光路传播方向，所述毛玻璃前表面的粗糙度大于0.05微米，后表面粗糙度小于0.012微米。
7.根据权利要求5所述的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其特征在于，所述显微镜头的物高大于被测四象限探测器镜头探测面有效探测口径。
8.根据权利要求5所述的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其特征在于，所述显微镜头的像高小于面阵图像传感器的光敏面尺寸。
9.根据权利要求1所述的四象限探测器镜头的光学质量检测系统，其特征在于，所述光斑信息包括光斑位置、形状尺寸及均匀度。
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