CN112816188A - 一种grin透镜最佳物像距测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，逆显微成像单元将分辨率靶标成像至GRIN透镜物面，正显微成像单元测量GRIN透镜像面最佳分辨率，镜面定位单元测量第一物镜至GRIN透镜前端面的距离，及用于测量第二物镜至GRIN透镜后端面的距离。本发明通过采用迈克尔逊干涉和显微测量光路相结合的技术思路，以GRIN透镜两端平面作为基准，实现了最佳物像距的亚微米级测量精度，极大的改善了GRIN透镜组合光学系统的成像质量；整个测量过程实现无接触测量，精度可以实现亚微米级，满足现有GRIN透镜的测量需求；可以通过镜面定位单元及时发现并校正回程差、偏离光轴等问题，确保测量精度，提升了GRIN透镜的应用优势。
Description
技术领域
本发明涉及GRIN透镜技术领域，具体涉及一种GRIN透镜最佳物像距测量系统。
背景技术
GRIN透镜是由具有梯度折射率的物质设计或是制造出来的光学透镜，其折射率不是常数，又称变折射率透镜、非均匀透镜或者渐变折射率透镜。GRIN透镜由于体积小、易加工、耦合效率高、可以深度植入目标样品、侵害性极小、负载感极弱等特点，已广泛应用于光纤通信、微型光学领域和医学领域等。
相比于传统消色差乃至复消色物镜，GRIN透镜的成像质量仍有很多不足，特别在色差和畸变方面，GRIN透镜的景深很大，不同物距下均可找到对应的像距成像，但成像质量却差别很大，导致与它配合使用的光学系统(如光纤、显微物镜等)很难达到最优成像效果，因为在组合系统里面，GRIN透镜的后端面与其配合的光学系统距离固定，总有一个相应的物距与之匹配，但该物距下的成像质量未必最佳。因此需要在组合之前确定GRIN透镜的最佳物距。现阶段没有成熟的测量仪器设备可用于GRIN透镜最佳物像距测量，亟需一种用于GRIN透镜最佳物像距测量的技术方案。
发明内容
为此，本发明提供一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，实现GRIN透镜最佳物像距测量以改善GRIN透镜组合光学系统的成像质量。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，包括：
逆显微成像单元，用于将分辨率靶标成像至GRIN透镜物面，逆显微成像单元设有第一物镜；
正显微成像单元，用于测量GRIN透镜像面最佳分辨率，正显微成像单元设有第二物镜；
镜面定位单元，用于测量所述第一物镜至GRIN透镜前端面的距离，及用于测量所述第二物镜至GRIN透镜后端面的距离。
作为GRIN透镜最佳物像距测量系统的优选方案，所述逆显微成像单元还设有光源、毛玻璃、分辨率靶标、第一分光棱镜、第一CMOS相机、第二分光棱镜和第一管镜；
所述毛玻璃处于所述光源和分辨率靶标之间，所述第一分光棱镜处于所述分辨率靶标和第一管镜之间，所述第一CMOS相机处于所述第一分光棱镜的侧部，所述第二分光棱镜处于所述第一管镜和第一物镜之间；
所述第一分光棱镜和第一CMOS相机均位于所述第一管镜的焦平面上。
作为GRIN透镜最佳物像距测量系统的优选方案，所述正显微成像单元还设有第二管镜及第二CMOS相机；所述第二CMOS相机位于所述第二管镜的焦平面上。
作为GRIN透镜最佳物像距测量系统的优选方案，所述镜面定位单元设有第三物镜、第三分光棱镜、超辐射发光二极管、光电倍增管和反射镜；所述第三物镜处于所述第二分光棱镜和第三分光棱镜之间，第三分光棱镜还处于所述超辐射发光二极管和反射镜之间，第三分光棱镜又处于所述第三物镜和光电倍增管之间。
作为GRIN透镜最佳物像距测量系统的优选方案，所述第一物镜的数值孔径满足以下关系：
NA1≥NAGRIN
式中，Na1为第一物镜的数值孔径，NAGRIN为GRIN透镜的物方数值孔径。
作为GRIN透镜最佳物像距测量系统的优选方案，所述分辨率靶标的最小分辨率满足以下关系：
式中，ε为分辨率靶标的最小分辨率，λ为光源中心波长，NAGRIN为GRIN透镜的物方数值孔径，f2为第一管镜的焦距，f1为第一物镜的焦距。
作为GRIN透镜最佳物像距测量系统的优选方案，所述第二物镜的数值孔径满足以下关系：
式中，NA2为第二物镜的数值孔径，NAGRIN为GRIN透镜的物方数值孔径，M为GRIN透镜的放大倍率。
作为GRIN透镜最佳物像距测量系统的优选方案，所述反射镜的移动距离大于第一物镜工作距离、待测GRIN透镜长度及第二物镜工作距离之和。
作为GRIN透镜最佳物像距测量系统的优选方案，所述第一物镜和第二物镜沿逆显微成像单元光轴的方向相对移动；
或所述第一物镜和第二物镜沿正显微成像单元光轴的方向相对移动。
作为GRIN透镜最佳物像距测量系统的优选方案，物距测量范围为(-L1,K1-L1)，像距测量范围为(-L2,K2-L2)；
其中，L1为第一物镜的工作距离，K 1为第一物镜的最大行程；L2为第二物镜的工作距离，K2为第二物镜的最大行程；物距和像距均以GRIN透镜端面为基准，物像点在GRIN透镜端面外为正，在GRIN透镜端面内为负。
本发明具有如下优点：通过采用迈克尔逊干涉和显微测量光路相结合的技术思路，以GRIN透镜两端平面作为基准，实现了最佳物像距的亚微米级测量精度，极大的改善了GRIN透镜组合光学系统的成像质量；整个测量过程实现无接触测量，精度可以实现亚微米级，满足现有GRIN透镜的测量需求；对于测量过程中调整发生的回程差、偏离光轴等问题，可以通过镜面定位单元及时发现并予以校正，确保测量精度；GRIN透镜的物像距精确后，提升了GRIN透镜的应用优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例中提供的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统示意图。
图中：1、逆显微成像单元；2、正显微成像单元；3、镜面定位单元；4、第一物镜；5、光源；6、毛玻璃；7、分辨率靶标；8、第一分光棱镜；9、第一CMOS相机；10、第二分光棱镜；11、第一管镜；12、第二物镜；13、第二管镜；14、第二CMOS相机；15、第三物镜；16、第三分光棱镜；17、超辐射发光二极管；18、光电倍增管；19、反射镜；20、GRIN透镜。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，提供一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，包括：
逆显微成像单元1，用于将分辨率靶标7成像至GRIN透镜20物面，逆显微成像单元1设有第一物镜4；
正显微成像单元2，用于测量GRIN透镜20像面最佳分辨率，正显微成像单元2设有第二物镜12；
镜面定位单元3，用于测量所述第一物镜4至GRIN透镜20前端面的距离，及用于测量所述第二物镜12至GRIN透镜20后端面的距离。
本实施例中，所述逆显微成像单元1还设有光源5、毛玻璃6、分辨率靶标7、第一分光棱镜8、第一CMOS相机9、第二分光棱镜10和第一管镜11；所述毛玻璃6处于所述光源5和分辨率靶标7之间，所述第一分光棱镜8处于所述分辨率靶标7和第一管镜11之间，所述第一CMOS相机9处于所述第一分光棱镜8的侧部，所述第二分光棱镜10处于所述第一管镜11和第一物镜4之间；所述第一分光棱镜8和第一CMOS相机9均位于所述第一管镜11的焦平面上。
其中，所述第一物镜4的数值孔径满足以下关系：
NA1≥NAGRIN
式中，NA1为第一物镜4的数值孔径，NAGRIN为GRIN透镜20的物方数值孔径。
所述分辨率靶标7的最小分辨率满足以下关系：
式中，ε为分辨率靶标7的最小分辨率，λ为光源5中心波长，NAGRIN为GRIN透镜20的物方数值孔径，f2为第一管镜11的焦距，f1为第一物镜4的焦距。
本实施例中，所述正显微成像单元2还设有第二管镜13及第二CMOS相机14；所述第二CMOS相机14位于所述第二管镜13的焦平面上。所述镜面定位单元3设有第三物镜15、第三分光棱镜16、超辐射发光二极管17、光电倍增管18和反射镜19；所述第三物镜15处于所述第二分光棱镜10和第三分光棱镜16之间，第三分光棱镜16还处于所述超辐射发光二极管17和反射镜19之间，第三分光棱镜16又处于所述第三物镜15和光电倍增管18之间。
其中，所述第二物镜12的数值孔径满足以下关系：
式中，NA2为第二物镜12的数值孔径，NAGRIN为GRIN透镜20的物方数值孔径，M为GRIN透镜20的放大倍率。
本实施例中，所述反射镜19的移动距离大于第一物镜4工作距离、待测GRIN透镜20长度及第二物镜12工作距离之和。所述第一物镜4和第二物镜12沿逆显微成像单元1光轴的方向相对移动；或所述第一物镜4和第二物镜12沿正显微成像单元2光轴的方向相对移动。
本实施例中，物距测量范围为(-L1,K1-L1)，像距测量范围为(-L2,K2-L2)；
其中，L1为第一物镜4的工作距离，K 1为第一物镜4的最大行程；L2为第二物镜12的工作距离，K2为第二物镜12的最大行程；物距和像距均以GRIN透镜20端面为基准，物像点在GRIN透镜20端面外为正，在GRIN透镜20端面内为负。
具体的，逆显微成像单元1主要的功能是将分辨率靶标7成像至GRIN透镜20物面，正显微成像单元2用于接收GRIN透镜20的像并测量像面最佳分辨率，而镜面定位单元3用于精密测量第一物镜4前表面至GRIN透镜20前端面和第二物镜12前表面至GRIN透镜20后端面的距离。光源5位于分辨率靶标7的前面，光经过毛玻璃6后均匀照明分辨率靶标7，分辨率靶标7位于第一管镜11的前焦平面上，透过分辨率靶标7的光经第一分光棱镜8、第一管镜11后平行射出，透过第二分光棱镜10，再经第一物镜4聚焦在其焦平面上，成一个倒立缩小的像，该像与待测GRIN透镜20物面重合，再经GRIN透镜20二次成像至其像面，像面与第二物镜12的前焦平面重合，经第二物镜12后变成平行光输出，再经第二管镜13成像至第二CMOS相机14上，此时第二CMOS相机14上能清晰看见分辨率靶标7的像，移动第一物镜4与GRIN透镜20前端面的距离，再移动第二物镜12，使第二CMOS相机14上能清晰成像，最高分辨率的像即对应最佳物像距。
具体的，镜面定位单元3的原理与迈克尔逊干涉仪类似，采用低相干超辐射发光二极管17(SLD)，经第三分光棱镜16分成两束，一束为测量光束，一束为参考光束，测量光束的第三光经物镜后会聚在第一物镜4与GRIN透镜20之间，使希望测量的表面反射信号最强，各表面反射的光经第三物镜15、第二分光棱镜10到达光电倍增管18，由于是低相干光源5，因此要发生干涉，就要求测量光束和参考光束的光程差基本相等，因此当测量光束的光经待测面反射回来后，不一定与参考光束发射干涉，需要移动反射镜19实现各个表面反射信号的光程差匹配，光程差匹配的位置即会出现干涉峰极大值，每个干涉峰位置代表着样品表面的位置，干涉峰之间的距离差即为样品间的光程差，也即反射镜19的移动距离，因此可以通过移动反射镜19寻找多个干涉峰的方法精密、无接触测量光学镜面之间的距离。
采用本发明的GRIN透镜最佳物像距测量系统，GRIN透镜20物像距的详细测量步骤如下：
一、测量前，需保证逆显微成像单元1、正显微成像单元2及镜面定位单元3内部各光学元件同轴，调节反射镜19背后的驱动器，使其移动方向与光轴一致，反射镜19驱动器须配备光栅尺，用于精密记录反射镜19移动距离，然后保证由逆显微成像单元1、正显微成像单元2及镜面定位单元3组合的测量系统同轴，调节第一物镜4和第二物镜12背后的驱动器，使其移动方向与光轴一致；
二、将待测GRIN透镜20放置至测量系统，通过人眼使其基本位于光路中心，基本与测量光路垂直，然后打开镜面定位的光源5，调节第三物镜15使超辐射发光二极管17光聚在GRIN透镜20表面，调节GRIN透镜20倾斜，使光电倍增管18探测的反射信号最强，固定GRIN透镜20倾斜调整装置；
三、调节第二物镜12，使第二CMOS相机14可以清晰看到GRIN透镜20后端面的像(GRIN透镜20自身端面结构)，调节GRIN透镜20左右平移，使端面像的中心位于第二CMOS相机14中心，固定GRIN透镜20平移调整装置；
四、调节第一物镜4，使分辨率靶标7的像清晰投影至GRIN透镜20的端面上，并且通过第一CMOS相机9清晰看到GRIN透镜20端面反射的靶标像，此时，关闭光源5，打开超辐射发光二极管17光，利用镜面定位单元3测量第一物镜4前表面至GRIN透镜20前端面，GRIN透镜20后端面至第二物镜12前表面的距离，分别记录为L0,W0，作为测量的零始点；
五、打开光源5，调节第一物镜4，使其前端面与GRIN透镜20靠近但不接触，调节第二物镜12，使第二CMOS相机14能对分辨率靶标7清晰成像，利用镜面定位单元3测量第一物镜4前表面至GRIN透镜20前端面，GRIN透镜20后端面至第二物镜12前表面的距离，分别记录为L1,W1，作为测量的最小边界点，同时记录此时分辨率；
六、调节第一物镜4，使其远离最小边界点0.5um，由于调整机构由回程差，很难保证每步0.5um的精度，因此在调节过程中，需要镜面定位单元3测量数据反馈给调整机构，反复调整测量来确保每一步移动精度，在保证第一物镜4的单步移动精度后，调节第二物镜12，使第二CMOS相机14能清晰成像，利用镜面定位单元3测量第一物镜4前表面至GRIN透镜20前端面，GRIN透镜20后端面至第二物镜12前表面的距离，分别记录为L2……Ln,W2……Wn,同时记录分辨率；
七、在记录过程中，分辨率会发生由低至高再至低的过程，分辨率最高对应的Li和Wi即对应最佳物像距，物距等于Li减去L0,像距等于Wi-W0，至此测量完毕；
八、获得最佳物像距以后，GRIN透镜20的装配就能以端面作为参考，确保组合光电系统的成像质量。
本发明通过采用迈克尔逊干涉和显微测量光路相结合的技术思路，以GRIN透镜两端平面作为基准，实现了最佳物像距的亚微米级测量精度，极大的改善了GRIN透镜组合光学系统的成像质量；整个测量过程实现无接触测量，精度可以实现亚微米级，满足现有GRIN透镜的测量需求；对于测量过程中调整发生的回程差、偏离光轴等问题，可以通过镜面定位单元3及时发现并予以校正，确保测量精度；GRIN透镜的物像距精确后，提升了GRIN透镜的应用优势，例如，在脑科学中，一般GRIN透镜与显微系统结合，可以作为探头进入人体，进行精密观测，由于GRIN透镜小，又需要离组织有一定的距离，因此容易振动，以至于像面发生抖动，如果知道GRIN透镜的物距，在其外面套一层不锈钢管，装配时精密控制不锈钢钢管的表面与GRIN透镜表面的距离，使其等于物距，在使用时，用不锈钢管直接接触组织，就能极大的减小振动，确保像面稳定。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，包括：
逆显微成像单元(1)，用于将分辨率靶标(7)成像至GRIN透镜(20)物面，逆显微成像单元(1)设有第一物镜(4)；
正显微成像单元(2)，用于测量GRIN透镜(20)像面最佳分辨率，正显微成像单元(2)设有第二物镜(12)；
镜面定位单元(3)，用于测量所述第一物镜(4)至GRIN透镜(20)前端面的距离，及用于测量所述第二物镜(12)至GRIN透镜(20)后端面的距离。
2.根据权利要求1所述的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，所述逆显微成像单元(1)还设有光源(5)、毛玻璃(6)、分辨率靶标(7)、第一分光棱镜(8)、第一CMOS相机(9)、第二分光棱镜(10)和第一管镜(11)；
所述毛玻璃(6)处于所述光源(5)和分辨率靶标(7)之间，所述第一分光棱镜(8)处于所述分辨率靶标(7)和第一管镜(11)之间，所述第一CMOS相机(9)处于所述第一分光棱镜(8)的侧部，所述第二分光棱镜(10)处于所述第一管镜(11)和第一物镜(4)之间；
所述第一分光棱镜(8)和第一CMOS相机(9)均位于所述第一管镜(11)的焦平面上。
3.根据权利要求2所述的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，所述正显微成像单元(2)还设有第二管镜(13)及第二CMOS相机(14)；所述第二CMOS相机(14)位于所述第二管镜(13)的焦平面上。
4.根据权利要求3所述的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，所述镜面定位单元(3)设有第三物镜(15)、第三分光棱镜(16)、超辐射发光二极管(17)、光电倍增管(18)和反射镜(19)；所述第三物镜(15)处于所述第二分光棱镜(10)和第三分光棱镜(16)之间，第三分光棱镜(16)还处于所述超辐射发光二极管(17)和反射镜(19)之间，第三分光棱镜(16)又处于所述第三物镜(15)和光电倍增管(18)之间。
5.根据权利要求1所述的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，所述第一物镜(4)的数值孔径满足以下关系：
NA1≥NAGRIN
式中，NA1为第一物镜(4)的数值孔径，NAGRIN为GRIN透镜(20)的物方数值孔径。
6.根据权利要求2所述的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，所述分辨率靶标(7)的最小分辨率满足以下关系：
式中，ε为分辨率靶标(7)的最小分辨率，λ为光源(5)中心波长，NAGRIN为GRIN透镜(20)的物方数值孔径，f2为第一管镜(11)的焦距，f1为第一物镜(4)的焦距。
7.根据权利要求1所述的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，所述第二物镜(12)的数值孔径满足以下关系：
式中，NA2为第二物镜(12)的数值孔径，NAGRIN为GRIN透镜(20)的物方数值孔径，M为GRIN透镜(20)的放大倍率。
8.根据权利要求4所述的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，所述反射镜(19)的移动距离大于第一物镜(4)工作距离、待测GRIN透镜(20)长度及第二物镜(12)工作距离之和。
9.根据权利要求8所述的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，所述第一物镜(4)和第二物镜(12)沿逆显微成像单元(1)光轴的方向相对移动；
或所述第一物镜(4)和第二物镜(12)沿正显微成像单元(2)光轴的方向相对移动。
10.根据权利要求9所述的一种GRIN透镜最佳物像距测量系统，其特征在于，物距测量范围为(-L1,K1-L1)，像距测量范围为(-L2,K2-L2)；
其中，L1为第一物镜(4)的工作距离，K 1为第一物镜(4)的最大行程；L2为第二物镜(12)的工作距离，K2为第二物镜(12)的最大行程；物距和像距均以GRIN透镜(20)端面为基准，物像点在GRIN透镜(20)端面外为正，在GRIN透镜(20)端面内为负。
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