CN111896228B - 基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测方法与装置。利用光学相干层析扫描装置对可靠性测试前后的镜头进行扫描，获取可靠性测试前后镜头的三维散射信号。根据三维散射信号的强度信息，识别镜头各镜片的前后表面，计算出可靠性测试前后镜头的三维结构变化(微米量级)。根据可靠性测试前后镜片位置处的相位变化，计算出可靠性测试前后镜头的三维结构变化(纳米量级)。本发明具有无接触、高精度、实时测量等优点，可以在短时间内测量出镜头内镜片相对位置的纳米精度的变化。

Description

基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测方法与装置

技术领域

本发明涉及镜头生产检测方法领域的一种镜头检测方法，更具体地涉及一种镜头可靠性测试前后镜头结构变化的测量方法与装置。

背景技术

现有镜头均采用多片镜片实现，在可靠性测试后(机械、温湿度等)，镜头内镜片相对位置如发生变化，会直接影响镜头的性能，甚至出现功能失效。因此，需要在镜头可靠性测试后对镜片位置进行无损测量，以保证镜头的成像性能。业界现有针对镜头可靠性测试前后变化的检测方法有两种：

(1)MTF(调制传递函数)测试是一种评价镜头性能的常用方式，通过对比可靠性测试前后镜头的MTF曲线可以客观地判断可靠性测试是否会影响镜头的性能，但MTF测试无法得知镜头内的具体变化，无法进一步分析；

(2)目前常用的无损检测手段是工业X射线CT，其可以得到镜头深度方向的结构信息。但是镜头可靠性测试镜片的位置变化通常在微米甚至是纳米量级，工业X射线CT的分辨率难以达到。同时由于工业X射线CT每次采集的数据量极大，工业X射线CT的成像速度较慢，实时性差。因此，工业X射线CT不适用于镜头可靠性测试前后的无损检测。

发明内容

本发明提供了一种基于光学相干成像的镜头可靠性测试前后无损检测的方法与装置，能够实现镜头内各镜片在可靠性测试前后位移的三维实时无损检测，检测的精度能够达到纳米量级。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一、一种基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测方法，包括以下步骤：

一种信号采集方法：镜头进行可靠性测试处理，利用光学相干层析扫描装置采集可靠性测试前后镜头的三维散射信号；

所述的镜头是由多个镜片组装而成，三维散射信号包括强度信号和相位信号。

一种强度分析方法：基于三维散射信号的强度信息重构镜头的三维空间结构，对比可靠性测试前后的三维空间结构变化，检测微米尺度的镜头形变；

一种相位分析方法：计算镜头的镜片相同表面位置处，可靠性测试前后的三维散射信号的相位变化，检测纳米尺度的镜头形变。

本发明所述的镜头为相机镜头。

所述的一种信号采集方法具体为：对镜头进行三维空间的OCT扫描成像，分别采集可靠性测试前后的三维数据S1和S2，保证镜头在可靠性测试前后相对于光学相干层析扫描装置的空间位置不变，采集到的三维数据包括沿镜头光轴方向的各截面的二维散射信号。

具体采用以下方式之一：

通过扫描改变参考臂光程的时间域OCT成像方法；

利用光谱仪记录光谱干涉信号的光谱域OCT成像方法；

利用扫频光源记录光谱干涉信号的扫频OCT成像方法。

所述的一种强度分析方法具体为：

对沿镜头光轴方向的各截面的二维散射信号的强度信息进行图像的边缘检测，识别并提取各个镜片两侧表面，对比镜头可靠性测试前后的三维数据S1和S2中的同一截面的镜片提取结果，计算出该截面内镜片位置的变化，整合所有截面的结果得出可靠性测试前后的镜头三维结构的变化。可靠性测试时可能会因为热处理的测试和应力的测试而导致镜头三维结构发生变化。

所述边缘检测的方法具体为：对图像进行二值化处理后，利用边缘检测算子提取镜片两侧表面。

所述识别提取镜片表面的方法具体为：

对每一沿镜头光轴方向的截面的二维断层图(二维散射信号的强度信息)按光轴方向求和，求得每一截面内镜片表面的分布范围，然后用边缘检测算子处理镜片分布范围内的二维断层图，得到各镜片表面的一系列离散点，最后用镜头曲面多项式对离散点进行拟合，实现各镜片表面的提取。

二维断层截面中镜片表面的获取是通过边缘检测和曲线拟合实现的。

所述的一种相位分析方法具体为：

计算镜头沿光轴方向的各截面的二维散射信号的相位信息在可靠性测试前后的变化，进而计算出该截面内各镜片的深度位置变化，整合各截面结果得出可靠性测试前后的镜头三维结构的变化。

所述的一种相位分析方法具体为：

对S1和S2同一截面的二维散射信号的相位信息求差，求得根据散射信号的强度信息提取出来的每一镜片表面位置处的相位差Δφ，进而计算出可靠性测试前后每一镜片位置的变化：

ΔD＝Δφ×λ₀/4πn

其中，n表示镜片样品的光学折射率，λ₀表示光学相干断层扫描装置的光源的中心波长；

最后整合每一截面的镜片位置的变化求得镜头可靠性测试前后三维结构的变化。

这种基于相位变化的位移测量的分辨率由光学相干层析扫描装置的信噪比(SNR)决定，即为

一般可以达到nm量级；而位移测量的量程受到相位计算时π包裹效应的影响，一般为λ₀/4n。

这种基于强度的分析方法可测量出微米量级的变化，而本发明更进一步结合相位信息可测量出纳米量级的镜片位移变化。通过该手段，本发明通过OCT的相位信息可以实现纳米级微小位移的定量测量。

二、基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测系统：

一套光学相干层析扫描装置；以及

一个或多个信号处理器，耦连到所述光学相干层析扫描装置并适用于使所述光学相干层析扫描装置：

处理采集得到可靠性测试前后的三维散射信号；

识别并提取镜头内各镜片两侧表面；

计算出镜头三维结构变化。

所述处理采集得到可靠性测试前后的三维散射信号进一步包括：

对光学相干层析扫描装置获取到的干涉光谱信号进行光谱矫正、去直流和重采样；以及

对处理后的干涉光谱信号进行傅里叶变换获取包含相位信息的二维散射信号，整合每一截面的结果获得三维散射信号。

所述识别并提取镜头内各镜片两侧表面进一步包括：

对二维散射信号的强度信息进行二值化处理；

使用边缘检测算子处理二值化后的二维散射信号的强度信息；以及

通过镜头曲面多项式拟合镜头表面。

所述计算出镜头三维结构变化进一步包括：

选取可靠性测试前后的三维数据S1和S2同一沿镜头光轴方向的截面；

对比可靠性测试前后的三维数据S1和S2同一截面的镜片边界计算结构变化；

根据可靠性测试前后的三维数据S1和S2同一截面的相位变化计算结构变化；以及

整合每一截面的结果得出三维结构变化。

本发明利用OCT(光学相干层析)对进行可靠性测试前后的镜头实现无损检测。利用光学相干层析扫描装置对可靠性测试前后的镜头进行扫描，获取可靠性测试前后镜头的三维散射信号。根据三维散射信号的强度信息，识别镜头各镜片的前后表面，计算出可靠性测试前后镜头的三维结构变化(微米量级)。根据可靠性测试前后镜片位置处的相位变化，计算出可靠性测试前后镜头的三维结构变化(纳米量级)。

本发明的有益效果是：

相较于已有的针对镜头可靠性测试前后变化的检测方法，本发明可以实时测量出镜头的三维结构在可靠性测试前后的变化，测量的精度可以达到纳米量级。本发明具有无接触、高精度、实时测量等优点，解决了传统测试方法不便于分析镜头内部结构，测量速度慢与测量精度低等问题。

为了进一步提高测量的精度，本发明提出基于OCT三维散射信号的相位信息检测可靠性测试前后镜头结构的变化。基于OCT三维散射信号的强度信息进行检测的方法的精度通常在1-20um，其受限于光学相干层析装置的光源中心波长以及系统带宽。本发明提出利用OCT三维散射信号的相位信息进行检测，检测的精度受限于系统的相位噪声，通常可以达到纳米量级，极大提高了检测精度。

附图说明

图1为本发明方法的示意图；

图2为本发明装置的示意图

图3为镜头的OCT成像的二维断层图；

图4为相位噪声分布图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，附图形成本文的一部分。需要注意的是，这些说明及示例仅仅为示例性的，不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

本发明的实施例如下：

为了便于理解本发明的实施例，将各操作描述成多个离散的操作，但是描述的顺序不代表实施操作的顺序。

本发明方法如图1所示，在可靠性前后均对镜头进行三维OCT扫描，保证前后两次扫描的实验条件一致，获取可靠性前后的三维OCT结构信息S1和S2。

进行三维OCT采集后，对三维数据S1和S2的每一沿镜头光轴方向的截面进行边界提取，根据S1和S2同一截面的边界计算出该截面内镜头结构的变化(微米量级)，整合所有截面的结果即可得到镜头在可靠性测试前后的三维结构变化。对S1和S2的每一二维截面进行边界提取的方法为：首先对OCT二维断层图像(二维散射信号的强度信息)进行预处理，包括：滤波，二值化；之后将二维断层图像素按列求和，找到每一镜片表面的分布范围，在每一表面分布范围内利用边缘检测算子处理二维断层图像，获取一系列位于镜片表面的离散点，再通过镜头曲面多项式对这些离散点进行曲线拟合，即可提取出每一镜片表面。对比同一截面内可靠性测试前后每一镜片表面的变化，即可测量出该截面内镜头的二维结构变化，整合所有截面结果即可测量出镜头在可靠性前后的三维结构变化。

进一步地，如果需要测量更高精度的结构变化，需要基于三维散射信号的相位信息分析。在进行三维OCT采集后，计算S1和S2的每一二维截面的相位，根据S1和S2同一截面的相位差值计算出该截面内镜头结构的变化(纳米量级)，整合所有截面的结果即可得到镜头在可靠性测试前后的三维结构变化。通过相位计算镜头结构变化的方法为：对S1和S2同一截面的二维散射信号的相位信息求差，求得根据散射信号的强度信息提取出来的每一镜片表面位置处的相位差Δφ，进而计算出可靠性测试前后每一镜片位置的变化：ΔD＝Δφ×λ₀/4πn。其中，n表示样品的光学折射率，λ₀表示光学相干断层扫描装置的光源的中心波长。

本发明装置的示意图如图2所示。光源11发出的光被分束器12分成两部分：一部分光进入参考臂，光经由光纤准直器14准直然后被聚焦透镜15聚焦到反射镜16上，然后原路返回至光纤耦合器12；另一部分光进入样品臂，同样经光纤准直器准直后由二维振镜17反射，反射后的光通过成像透镜18照射到样品表面，通过二维振镜17的转动实现样品表面的二维扫描。样品臂返回的光与参考臂返回的光在光纤耦合器12中发生低相干干涉。

光路中有偏振控制器13，其作用是调整参考臂返回光的偏振态使得干涉强度最大。干涉产生的干涉条纹通过干涉信号探测装置20采集，然后传输至信号处理模块和计算单元21，经过数据处理获得镜头内各镜片的结构信息，然后提取镜头内各镜片的边界，进而计算出镜片位置的变化。

依据低相干干涉探测信号的不同方式，图2所示的系统装置具体包括：

1)时间域测量装置。光源11采用宽带低相干光，平面反射镜16可沿光轴方向移动，干涉信号探测装置20为一点探测器。通过移动平面反射镜16改变参考臂光程，两臂的干涉信号由点探测器20探测到，对某一空间深度的z方向的散射信号的低相干干涉探测，从而得到深度空间维度的采样体。

2)光谱域测量装置。光源11采用宽带低相干光，平面反射镜16固定不动，干涉信号探测装置20采用光谱仪。干涉信号经过光谱仪中的线阵相机同时记录干涉光谱。采用傅里叶分析方法分析干涉光谱信号，并行获取深度z方向的散射信息，从而得到深度空间维度的采样体。

3)扫频测量装置。光源11采用扫频光源，平面反射镜16固定不动，干涉信号探测装置20采用点探测器。点探测器分时记录扫频光源的低相干干涉光谱。采样傅里叶分析干涉光谱信号，并行获取深度z方向的散射信息，从而得到深度空间维度的采样体。

对于上述不同的测量装置，可分别结合图1叙述中所涉及的OCT扫描成像方式，计算可靠性测试前后镜头的三维结构变化。

本发明的示范性实施例采用光谱域测量装置，光源11采用的是中心波长850nm，带宽160nm的超发光二极管光源，干涉信号探测装置22采用的是波长范围780nm-900nm，搭配4096像素线阵相机的光谱仪。

图3是本发明示范性实施例对镜头的二维断层成像结果。通过镜头的二维断层成像结果，可清晰地分辨出镜头内两个镜片的四个表面，以及镜头下方的起保护作用的擦镜纸。本发明示范性实施例采用中心波长850nm，带宽160nm的SLD光源搭配波长范围780nm-900nm的光谱仪，对应的轴向分辨率为2.7um。由此可见本发明方法中基于强度的分析方法可实现微米量级的测量精度。

本发明示例性实施例的相位噪声分布如图4所示。相位测量的分辨率受到系统相位噪声的影响，相位噪声越大的系统分辨率越低。通过对平面镜单点进行重复采集，计算相位相对于均值的偏差分布，其结果如图4所示。实测系统的相位标准差为0.0276rad，其对应的位移精度约～1.5nm。

由此可见，本发明方法中基于相位的分析方法可实现纳米量级的测量精度。

Claims (7)

1.一种基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：

一种信号采集方法(1)：镜头进行可靠性测试处理，利用光学相干层析扫描装置采集可靠性测试前后镜头的三维散射信号；

所述的一种信号采集方法(1)具体为：对镜头进行三维空间的OCT扫描成像，分别采集可靠性测试前后的三维数据S1和S2，保证镜头在可靠性测试前后相对于光学相干层析扫描装置的空间位置不变，采集到的三维数据包括沿镜头光轴方向的各截面的二维散射信号一种强度分析方法(2)：基于三维散射信号的强度信息重构镜头的三维空间结构，对比可靠性测试前后的三维空间结构变化，检测微米尺度的镜头形变；

一种相位分析方法(3)；

所述的一种相位分析方法(3)具体为：

计算镜头沿光轴方向的各截面的二维散射信号的相位信息在可靠性测试前后的变化，进而计算出该截面内各镜片的深度位置变化，整合各截面结果得出可靠性测试前后的镜头三维结构的变化；

所述的一种相位分析方法(3)具体为：

对S1和S2同一截面的二维散射信号的相位信息求差，求得根据散射信号的强度信息提取出来的每一镜片表面位置处的相位差Δφ，进而计算出可靠性测试前后每一镜片位置的变化：

ΔD＝Δφ×λ₀/4πn

其中，n表示镜片样品的光学折射率，λ₀表示光学相干断层扫描装置的光源的中心波长；

最后整合每一截面的镜片位置的变化求得镜头可靠性测试前后三维结构的变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测方法，其特征在于：所述的一种强度分析方法(2)具体为：

对沿镜头光轴方向的各截面的二维散射信号的强度信息进行图像的边缘检测，识别并提取各个镜片两侧表面，对比镜头可靠性测试前后的三维数据S1和S2中的同一截面的镜片提取结果，计算出该截面内镜片位置的变化，整合所有截面的结果得出可靠性测试前后的镜头三维结构的变化。

3.根据权利要求2所述的一种基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测方法，其特征在于：

所述识别提取镜片表面的方法具体为：

对每一沿镜头光轴方向的截面的二维断层图(二维散射信号的强度信息)按光轴方向求和，求得每一截面内镜片表面的分布范围，然后用边缘检测算子处理镜片分布范围内的二维断层图，得到各镜片表面的一系列离散点，最后用镜头曲面多项式对离散点进行拟合，实现各镜片表面的提取。

4.用于实施权利要求1～3任一所述方法的基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测系统，包括：

一套光学相干层析扫描装置；以及

一个或多个信号处理器，耦连到所述光学相干层析扫描装置并适用于使所述光学相干层析扫描装置：

处理采集得到可靠性测试前后的三维散射信号；

识别并提取镜头内各镜片两侧表面；

计算出镜头三维结构变化。

5.根据权利要求4所述的基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测系统，其特征在于：所述处理采集得到可靠性测试前后的三维散射信号进一步包括：

对光学相干层析扫描装置获取到的干涉光谱信号进行光谱矫正、去直流和重采样；以及

对处理后的干涉光谱信号进行傅里叶变换获取包含相位信息的二维散射信号，整合每一截面的结果获得三维散射信号。

6.根据权利要求4所述的基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测系统，其特征在于：所述识别并提取镜头内各镜片两侧表面进一步包括：

对二维散射信号的强度信息进行二值化处理；

使用边缘检测算子处理二值化后的二维散射信号的强度信息；以及

通过镜头曲面多项式拟合镜头表面。

7.根据权利要求4所述的基于光学相干成像的镜头可靠性前后无损检测系统，其特征在于：所述计算出镜头三维结构变化进一步包括：

选取可靠性测试前后的三维数据S1和S2同一沿镜头光轴方向的截面；

对比可靠性测试前后的三维数据S1和S2同一截面的镜片边界计算结构变化；

根据可靠性测试前后的三维数据S1和S2同一截面的相位变化计算结构变化；以及

整合每一截面的结果得出三维结构变化。

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