CN1198124C - 测量镜片成像质量的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量镜片成像质量的装置及测量方法，该装置包括：激光源；光敏探测装置，用于将所接收的光信号转换为电信号；显微物镜，用于将激光束经所测镜片聚焦后的焦斑成像在该光敏探测装置上；计算机，用于对光敏探测装置输出的有关聚焦焦斑成像的信号进行处理，并通过分析该信号而检测出镜片的成像质量；光敏检测装置与计算机连接，激光源、被测镜片、光敏检测装置和显微物镜设置在一个光路上，显微物镜设置在光敏检测装置与被测镜片之间。本发明可方便地测量镜片或镜头成像质量的多项指标。
Description
本发明涉及一种测量镜片成像质量的装置和方法，可用于测量镜片或镜头的成像质量。
对于镜头与镜片成像质量的传统检测方法有两种，一种是星点观测方法，另一种是分辨率板观察方法。这两种方法比较简单，主要适合镜头镜片分辨率和象质的目视观测，经验性要求很强，对焦斑大小、相差象质等则很难进行精确测量。用于检测焦斑的装置可以采用传统的平行光管目视测量装置，但是使用不方便，人眼容易疲劳，测量结果也有可能因人而异。
本发明的目的在于提供一种测量镜片成像质量的装置及测量镜片成像质量的方法，利用本发明的测量装置和测量方法不仅可以精确测量各种镜片或镜头的分辨率，而且可以精确测量镜片或镜头的实际焦斑大小，还可以对镜片或镜头的相差象质进行定量分析，并使得这些测量变得非常方便。
本发明的技术方案如下：
根据本发明的一种测量镜片成像质量的装置，包括：
一个激光源，用于产生激光束并射向镜片；
一个光敏探测装置，用于将所接收的光信号转换为电信号；
一个显微物镜，用于将激光束经所测镜片聚焦后的焦斑成像在该光敏探测装置上；
一台计算机，用于对光敏探测装置输出的有关聚焦焦斑成像的信号进行处理，并通过分析该信号而检测出镜片的成像质量；
其中，光敏检测装置与计算机连接，激光源、被测镜片、光敏检测装置和显微物镜设置在一个光路上，显微物镜设置在光敏检测装置与被测镜片之间。
在本发明的一个实施例中，在被测镜片与显微物镜之间设有一个标尺刻画板，该标尺刻画板为采用透明材料制成的平板并画有标尺刻画线，该标尺刻画板上的标尺刻画线所在平面与被测镜片的焦平面重合。
在本发明中，可以在激光源与被测镜片之间设置一个光强衰减器，用于衰减激光束以达到合适的强度。
在本发明中，可以在显微物镜与光敏探测装置之间设置一个可调整的转接件，其长度可调整，用于使激光束聚焦后的焦斑清晰地成像在光敏探测装置上。
在本发明中，在该光敏检测装置中可以采用电荷耦合器件(charge-coupled device，缩写为CCD)。
在本发明中，可以在标尺刻画板附近设有用于照亮标尺刻画线的照明光源。
根据本发明的一种测量镜片成像质量的方法，包括以下步骤：
(1)以具有适当光强的激光束照射在被测镜片上；
(2)由一个光敏检测装置检测经被测镜片聚焦后的焦斑成像，将与该焦斑相关的光信号转换为电信号，并送至一计算机进行数据处理；
(3)由该计算机对该信号进行处理及分析，检测出镜片的成像质量。
在本发明中，可以在经被测镜片聚焦后的焦斑成像上叠加标尺刻画线。
在本发明中，可以采用一个显微物镜将所述激光束聚焦后的焦斑及标尺刻画线放大并清晰成像在光敏探测装置上，以便于测量。
在本发明的一个实施例中，调整经被测镜头的激光束的强度，使得光敏检测装置中的光敏器件象元所接收的光强是不饱和的。
利用本发明的测量装置和测量方法不仅可以精确测量各种镜片或镜头的分辨率，而且可以精确测量镜片或镜头的实际焦斑大小，还可以对镜片或镜头的相差象质进行定量分析，并使得这些测量变得非常方便。
以下结合附图进一步说明本发明。
图1是本发明之测量镜片成像质量的装置实施例的结构图；
图2是本发明的标尺刻画板之标尺刻画线的示意图；
图3(a)、(b)、(c)是转接件T的一个示例的结构示意图；其中图3(a)为转接件的前端结构，图3(b)为转接件的中间锁紧环结构，图3(c)为转接件的后端结构；
图4(a)为CCD光敏探测装置所采集的被测焦斑叠加在标尺刻画板P后的放大图象，图4(b)为对应被测焦斑经数字图形分析处理后的形貌图。
在图1中示出了一种根据本发明提出的镜片成像质量测量装置，该装置的光敏探测装置采用CCD。本发明也可同样用于测量镜头。采用根据本发明的装置，使得测量镜头和镜片的分辨率、焦斑大小、相差象质等指标变得非常方便。
本发明之测量装置的实施例如图1所示，包括：可变强度衰减器F、标尺刻画板P、显微物镜L2、可调转接件T、采用CCD作为光敏器件的CCD光敏探测装置以及计算机等部件，图1左边所示的平行箭头为激光束，例如准直平行激光束，被测镜片(或镜头)L1设置在可变强度衰减器F和标尺刻画板P之间。标尺刻画板P中的标尺刻画线宽从1nm(纳米)-1mm(毫米)。
在根据本发明的测量方法中，平行激光束经过强度衰减器F达到合适的检测光强并照射到被测镜片(或镜头)，被测镜片(或镜头)将平行激光束聚焦在标尺刻画板的前表面上，采用普通白光照明光源照亮标尺刻画板(参见图1中的被测镜片L1与标尺刻画板P之间的斜箭头)。调整可调转接件T的长度，显微物镜L2将标尺刻画板P和经被测镜片(或镜头)L1的激光束之聚焦光斑清晰成象在CCD光敏探测装置上，再通过光电转换和数字采样后，再输入到计算机，计算机对输入图象进行数字图象处理，通过数字化象元比较焦斑与标尺刻画板上刻画线宽的相对大小，获碍焦斑大小，通过离焦观测图象变化检测镜片(或镜头)的成象质量。如果将被测镜片(或镜头)L1作为CCD光敏探测装置的显微物镜，通过CCD光敏探测装置清晰成象标尺刻画板并输入计算机进行数字图象处理，在观测处理结果中，能够清晰辨认标尺刻画板的最小线宽即为被测镜片(或镜头)的分辨率。
由此可见，利用本发明的测量方法和测量装置，不仅可以精确测量各种镜片(或镜头)的分辨率，而且可以精确测量镜片(或镜头)的实际焦斑大小，还可以对镜片(或镜头)的相差象质进行定量分析。具体内容描述如下。
在图1的测量装置中，可以进行镜头焦斑尺寸的测量。该装置中的标尺刻画板P为一个带标尺刻画线的透明参考平面物体，标尺刻画线所在面位于靠近被检测镜片(或镜头)的平面(A面)上，如图2所示。标尺刻画线的读数精度为1nm(纳米)至1mm(毫米)，在图2的示例中，标尺刻画线为50微米长，图中的最小刻度单元为1微米。
CCD光敏探测装置不带镜头。由一个显微物镜L2被使用作为光敏探测装置的成象镜头。在检测焦斑成像时，可沿光轴方向前后调节被测镜片的位置，将与该焦斑相关的光信号转换为电信号。
CCD(又名摄象头)是一种电耦合器件，当接受光的照射后，根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经滤波、放大处理，通过输出端子输出一个标准的复合视频信号，这种视频信号可以直接进入监视器、电视机和通过视频采集卡进入计算机。通常CCD的光敏接收面具有2/3英寸(8.8毫米×6.6毫米)、1/2英寸(6.4毫米×4.8毫米)、1/3英寸(4.8毫米×3.6毫米)和1/4英寸(3.2毫米×2.4毫米)等，分辨率330-800线，象素数为25万-38万，光强灵敏度为0.01-3LUX(勒克斯)，信噪比为46-60分贝。
转接件T的长度可调并可以消杂散光。该转接件使用的实际尺寸可为160mm(毫米)，可调节范围为150mm(毫米)至170mm(毫米)。转接件外径为30mm(毫米)，内径为15mm(毫米)，一端具有M20×0.75[直径20mm(毫米)，螺纹间距0.75mm(毫米)]的内螺纹，另一端具有M25.4-32[直径25.4mm(毫米)，32扣/英寸]的外螺纹，中间有一个锁紧环。转接件的一个示例如图3(a)、(b)、(c)所示。图3(a)为转接件的前端结构(与显微物镜相连接)，图3(b)为转接件的中间锁紧环结构，图3(c)为转接件的后端结构(与CCD相连接)。
显微物镜被使用作为CCD光敏探测装置的成象镜头。显微物镜即普通显微镜上的物镜，是一种用于观察微小物体(如细胞)的放大镜，由多个镜片组成，与显微镜的目镜相配合，根据成象放大的物象关系，成倍放大被观测的微小物体。通常显微物镜有10×、20×、25×、40×、50×、60×、100×、…等。
光强衰减器可以采用可变密度的光强衰减器，它位于被测镜片(或镜头)的入射端(或出射端)，用于调节激光强度，使被测镜片(或镜头)的焦斑在进行数字采样检测时CCD象元所接收的强度不被饱和。
本发明应用数字采样方法，可在被测物体(如激光聚焦光斑)放大成象后，由CCD进行光电转换数字化处理，并通过显示器进行观测。
本发明也可以将被测物体(如激光聚焦光斑)和参照标尺刻画线同时清晰成象，通过对比参照标尺刻画线计算出被测物体(如激光聚焦光斑)的尺寸大小。
本发明所采用的CCD装置、可调转接件T、显微物镜L2等均可采用现有的产品。
根据本发明的测量方法，也可以采用准直激光束通过被测镜片(或镜头)进行聚焦，被测镜片(或镜头)的焦平面与透明参考标尺刻画线所在平面重合，经显微放大后，由CCD光敏探测装置对聚焦光斑和标尺刻画线的成像进行数字采用并同时采样输入计算机，调节变密度光强衰减器使被测镜片(或镜头)的焦斑在数字采样检测时CCD象元所接收的强度不被饱和，通过图象放大和相元能量分析，比较聚焦光斑尺寸和标尺刻画线对应的相素数，可以精确计算出聚焦光斑的大小。如图4(a)、(b)所示。图4(a)为CCD光敏探测装置所采集的被测焦斑叠加在标尺刻画板P后的放大图象，其中标尺刻画板P的最小刻度为10(um)微米，图中的亮斑为被测激光聚焦焦斑。图4(b)对应被测焦斑经数字图形分析处理后的形貌图。标尺刻画板的一个最小刻度对应10相素单元，从已知的标尺刻画板的最小刻度10(um)微米通过计算得出一个相素单元相对大小为1(um)微米，被测焦斑的高斯曲线半宽度为6个相素单元，因此，通过比较计算得到被测焦斑的直径大小为6(um)微米。
根据本发明的测量方法，采用不同精度的标尺刻画线，用被测镜片(或镜头)作为CCD光敏探测装置的成象镜头以观测标尺刻画线，可以进行被测镜片(或镜头)的分辨率检测。被测镜片(或镜头)所能清晰观测到间距最小的标尺刻画线，就是被测镜片(或镜头)的实际分辨率。例如被测镜头(或镜片)所能清晰观测到间距最小的标尺刻画线为1(um)微米，则被测镜头(或镜片)的实际分辨率为1000线。
根据本发明的测量方法，通过调整被测镜片(或镜头)的位置可以观测镜头离焦的光斑变化，可以进行被测镜片(或镜头)的相差校正检测。不同波长的最小焦斑所对应的焦平面重合情况，说明被测镜片(或镜头)的消色差性能。不同离焦位置观测镜头的离焦光斑形状与偏心情况，说明被测镜片(或镜头)的消球差、彗差和畸变性能。
本发明可以有效地用来测量各种镜头、镜片的分辨率、焦斑大小、相差象质等光学性能。本发明的一项重要应用就是用来检测生物芯片扫描检测系统的激光聚焦镜头和荧光会聚镜头的性能指标，包括镜头的分辨率、焦斑大小、相差象质等，从而保证国产生物芯片扫描检测系统的性能，有利于生物芯片技术在国内的推广和应用。
Claims (7)
1、一种测量镜片成像质量的装置，包括：
一个激光源，用于产生激光束并射向镜片；
一个光敏探测装置，用于将所接收的光信号转换为电信号；
其特征在于，该装置还包括：
一个显微物镜，用于将激光束经所测镜片聚焦后的焦斑成像在该光敏探测装置上；
一个标尺刻画板，该标尺刻画板为采用透明材料制成的平板并画有标尺刻画线；
一台计算机，用于对光敏探测装置输出的有关聚焦焦斑成像的信号进行处理，并通过分析该信号而检测出镜片的成像质量；
其中，光敏检测装置与计算机连接，激光源、被测镜片、光敏检测装置和显微物镜设置在一个光路上，显微物镜设置在光敏检测装置与被测镜片之间；
其中，该标尺刻画板在被测镜片与显微物镜之间，该标尺刻画板上的标尺刻画线所在平面与被测镜片的焦平面重合。
2、根据权利要求1所述的装置，其中，在激光源与被测镜片之间设置一个光强衰减器，用于衰减激光束以达到合适的强度。
3、根据权利要求1所述的装置，其中，在显微物镜与光敏探测装置之间设置一个可调整的转接件，其长度可调整，用于使激光束聚焦后的焦斑清晰地成像在光敏探测装置上。
4、根据权利要求1所述的装置，其中，该光敏检测装置由电荷耦合器件组成。
5、根据权利要求1所述的装置，其中，在标尺刻画板附近设有用于照亮标尺刻画线的照明光源。
6、一种测量镜片成像质量的方法，包括以下步骤：
(1)以具有适当光强的激光束照射在被测镜片上；
(2)由一个光敏检测装置检测经被测镜片聚焦后的焦斑成像，将与该焦斑相关的光信号转换为电信号，并送至一台计算机；
(3)由该计算机对该信号进行处理及分析，检测出镜片的成像质量；
其特征在于还包括：
在经被测镜片聚焦后的焦斑成像上叠加标尺刻画线；并通过一个显微物镜将所述激光束聚焦后的焦斑及标尺刻画线放大并清晰成像在光敏探测装置上。
7、根据权利要求6所述的方法，其中，调整经被测镜头的激光束的强度，使得光敏检测装置中的光敏器件象元所接收的光强是不饱和的。
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