CN204666338U - 一种基于LabVIEW的双光栅同轴检焦装置 - Google Patents

Abstract

一种基于LabVIEW的双光栅同轴检焦装置，主要由基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统、位移平台系统、双光栅系统、被测系统、探测模块和电源等模块组成，装置结构包括光源、准直透镜、第一聚焦透镜、毛玻璃、反射镜、第二聚焦透镜、第一光栅板、第二光栅、CCD和计算机；利用基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统软件，对CCD采集的条纹图进行数据处理，计算功率谱，当数据处理分析第二光栅板达到焦点位置时，在计算机上显示、标记并存储相关数据，从而达到自动检焦功能。本实用新型检测速度快、精度高；结构简单，便于操作；软件实时显示当前检测的数据的功率谱，并绘制相应的动态曲线，便于数据保存和拓展应用。

Description

一种基于LabVIEW的双光栅同轴检焦装置

技术领域

本实用新型涉及一种光学系统的自动检焦装置，特别是涉及一种基于LabVIEW的双光栅同轴检焦装置。

背景技术

生物医学光子学是利用光子来研究生命现象的科学，它是光子学和生命科学相互交叉、互相渗透而产生的边缘学科。生物医学光子学主要研究分子水平上的细胞功能和结构，其在医学中的应用主要是通过检测人体组织与血液参数，探索组织结构与功能的变化，进而实现宏观和微观水平疾病无损探测、诊断和治疗。比如在人眼视网膜的在体成像中，采用自适应光学技术实时补偿人眼光学系统像差，可以获得视觉细胞和眼底微血管的高分辨率图像，从而可以通过这些图像分析患者病变。或者在目前结核杆菌自动检测领域，对光学显微镜的聚焦系统提出很高的要求，在设计初期，光学显微镜镜头的焦距等数据的准确性非常关键。作为生物医学光子学中的核心设备，光学系统的检测精度对检测结果其决定性作用。在高精度的生物医学光学检测系统中，对光学系统的检焦装置提出微米量级的精度检测要求。

目前高精度的光学系统检焦装置通常采用离轴式方法，当被测光学系统数值孔径或尺寸较小时，很难进行较好的检焦。现有的检焦装置主要应用于IC制造业中光学系统检焦中，成本昂贵，操作复杂，不适用于生物医学光学系统的焦点检测中。

发明内容

本实用新型的目的是提供了一种基于LabVIEW的双光栅同轴检焦装置，具有高精度和实时检测等优点。

本实用新型的技术解决方案如下：一种基于LabVIEW的双光栅同轴检焦装置，主要由基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统、位移平台系统、双光栅系统、被测系统、探测模块和电源等模块组成，其特征在于：从光束入射方向依次包括光源、准直透镜、第一聚焦透镜、毛玻璃、反射镜、第二聚焦透镜、第一光栅板、第二光栅、CCD；所述的第一光栅板置于第一位移平台上，并位于被测光学系统的物面上；所述的第二光栅置于第二位移平台上，并位于被测光学系统的像方平面上；所述的CCD位于第二光栅板的后方，并通过数据接收总线与计算机相连。

所述的光源为He-Ne激光器；

所述的反射镜放置成与第一光轴呈45度角，并与第二光轴也呈45度角；

所述的第一光栅板为占空比为50％的相位型线光栅，周期为p1；

所述的被测光学系统在检测时，被固定在光学系统固定架上；

所述的第二光栅板为占空比为50％的相位型线光栅，周期为p2；

所述的第一光栅板与所述的第二光栅板平行放置；

所述的第一位移平台通过数据输出总线与计算机相连，受到计算机控制的压电陶瓷驱动器驱动，能实现微米级二维微动，用来将第一光栅板移入被测光学系统的物面；

所述的第二位移平台通过数据输出总线与计算机相连，受到计算机控制的压电陶瓷驱动器驱动，能实现微米级二维微动，用来将第二光栅板移入被测光学系统的像面；

所述的计算机安装了基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统软件，用于测量过程控制，测量数据存储，对CCD采集的干涉条纹进行处理与分析，并控制压电陶瓷驱动器的运动状态。

一种基于LabVIEW的双光栅同轴检焦方法，实现步骤如下：

(1)将被测光学系统固定在光学系统固定架上；

(2)首先对探测模块进行光瞳坐标标定，建立光瞳坐标与CCD笛卡尔坐标系的映射关系；

(3)调整光源、准直透镜、第一聚焦透镜、毛玻璃、反射镜和第二聚焦透镜的位置，使第二聚焦透镜的出射光均匀稳定；

(4)将第一光栅板安装在第一位移平台上，通过计算机控制压电陶瓷驱动器使第一位移平台移动到设定的物方视场点位置；

(5)将标定好的探测模块安装在被测光学系统的像面一侧，调整第二位移平台对第二光栅板进行对准与调平；

(6)通过计算机控制第二位移平台，将第二光栅板移动到被测光学系统像面附近，利用LabVIEW软件编写的光场强度检测与检焦控制软件，对CCD采集的干涉条纹图进行一定的数据处理，计算当前干涉条纹的功率谱，并显示当前功率谱分布图；

(7)基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统软件自动控制第二位移平台，使第二位移平台沿第二光轴方向移动，当数据处理分析第二光栅板达到焦点位置时，在计算机上显示、标记并存储相关数据，从而实现被测光学系统的自动检焦。

本实用新型与现有技术相比的优势在于：

(1)本实用新型采用了基于图像处理的自动检焦方法直接根据获取的图像分析出条纹数，检测速度快、精度高；

(2)本实用新型的同轴检焦方法结构简单，成本低，便于操作；

(3)本实用新型基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统可以实时显示当前检测的数据的功率谱，并绘制相应的动态曲线，便于数据保存和拓展应用。

附图说明

图1为基于LabVIEW的双光栅同轴检焦装置组成示意图。

图2为双光栅同轴检焦装置结构图。

图3为第一光栅板示意图；

图4为第二光栅板示意图；

图5为CCD采集的条纹示意图1；

图6为CCD采集的条纹示意图2；

图7为CCD采集的条纹示意图3；

图8为功率谱曲线图1；

图9为功率谱曲线图2；

图10为功率谱曲线图3；

图11为系统程序控制流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

由图2看出基于LabVIEW的双光栅同轴检焦装置结构包括：从光束入射方向依次包括光源1、准直透镜2、第一聚焦透镜3、毛玻璃4、反射镜5、第二聚焦透镜6、第一光栅板7、第二光栅11、CCD13；所述的第一光栅板7置于第一位移平台8上，并位于被测光学系统10的物面上；所述的第二光栅11置于第二位移平台12上，并位于被测光学系统10的像方平面上；所述的CCD13位于第二光栅板11的后方，并通过数据接收总线14与计算机16相连。

所述的光源1为He-Ne激光器；所述的反射镜5放置成与第一光轴18呈45度角，并与第二光轴19也呈45度角；所述的第一位移平台8通过数据输出总线15与计算机16相连，受到计算机16控制的压电陶瓷驱动器驱动，能实现微米级二维微动，用来将第一光栅板7移入被测光学系统10的物面；所述的被测光学系统10在检测时，被固定在光学系统固定架9上；所述的第二位移平台12通过数据输出总线15与计算机16相连，受到计算机16控制的压电陶瓷驱动器驱动，能实现微米级二维微动，用来将第二光栅板12移入被测光学系统10的像面；所述的计算机16用于测量过程控制，测量数据存储，对CCD13采集的干涉条纹进行处理与分析，并控制压电陶瓷驱动器的运动状态。

实施例：

在目前结核杆菌自动检测领域，对光学显微镜的聚焦系统提出很高的要求，在设计初期，光学显微镜镜头的焦长等数据的准确性非常关键。因此，以数值孔径为1.25、放大倍率为10X的光学显微镜镜头为被测光学系统，采用本实用新型的基于图像功率谱的双光栅同轴检焦装置进行测量。

所述的第一光栅板7为占空比为50％的相位型线光栅，如附图3所示，周期为100微米；所述的第二光栅板11为占空比为50％的相位型线光栅，如附图4所示，周期为20微米；所述的第一光栅板7和所述的第二光栅板11平行放置；第一光栅板7和第二光栅板11的透过率函数分别是：

$t_1(x,y)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{B}_n{e}^{2\mathrm{in\πx}/p_1}$

$t_2(x,y)=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{B}_m{e}^{2\mathrm{im\πx}/p_2}$

其中，B_n和B_m都是傅里叶系数，p1和p2分别是第一光栅板7和第二光栅板11的周期。

一种基于图像功率谱的双光栅同轴检焦方法，实现步骤如下：

(1)将被测光学系统10固定在光学系统固定架9上；

(2)首先对探测模块17进行光瞳坐标标定，建立光瞳坐标与CCD13笛卡尔坐标系的映射关系；

(3)调整光源1、准直透镜2、第一聚焦透镜3、毛玻璃4、反射镜5和第二聚焦透镜6的位置，使第二聚焦透镜6的出射光均匀稳定；

(4)将第一光栅板7安装在第一位移平台8上，通过计算机16控制压电陶瓷驱动器使第一位移平台8移动到设定的物方视场点位置；

(5)将标定好的探测模块17安装在被测光学系统10的像面一侧，调整第二位移平台9对第二光栅板11进行对准与调平；

(6)通过计算机16控制第二位移平台12，将第二光栅板11移动到被测光学系统像面附近，利用基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统软件，对CCD13采集的干涉条纹图进行一定的数据处理，计算当前干涉条纹的功率谱，并显示当前功率谱分布图；

(7)LabVIEW软件编写的光场强度检测与检焦控制软件自动控制第二位移平台12，使第二位移平台12沿第二光轴19方向移动，当数据处理分析第二光栅板11达到焦点位置时，在计算机16上显示、标记并存储相关数据，从而达到自动检焦功能。

本实用新型的光场强度检测与检焦控制的一个实施例如附图5和附图6所示。双光栅干涉仪检测时，CCD上干涉图案的特点是，当第二光栅板11位于焦点位置时，CCD探测的干涉图为光强均匀的圆形光斑，如附图6的情形。而当第二光栅板11受到第二位移平台12沿 着第二光轴19移动时，当偏离焦点位置时，就会出现干涉条纹。第二光栅板11在焦点左侧和右侧时CCD探测到的图案分别如附图5和附图7。CCD13上的条纹图形信号实时通过串口传输数据到计算机16，利用LabVIEW软件编写光场强度检测与检焦控制系统软件，对干涉条纹图进行傅里叶变换，并求得功率谱，显示当前功率谱，并绘制成二维图形，如附图8～10曲线图所示。

所述的基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统的系统框图如附图6所示，系统在初始化后，通过计算机16控制第二位移平台12，将第二光栅板11沿第二光轴19向靠近被测光学系统10一侧移动1微米，·CCD13采集干涉条纹图，并通过数据输入总线14将数据上传至计算机，计算机对干涉图数据进行处理求得功率谱，图像的功率谱为

|F(u，v)|²＝F(u，v)·F^*(u，v)，

其中，F(u，v)为图像的傅里叶变换式。功率谱是图像的重要特征，它的大小反映了图像各个空间频率的强度。为方便不同图像的功率谱的比较，将图像的二维功率谱转换成一维的功率谱为

$P\left(\mathrm{\ρ}\right)=\frac{1}{n_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\η}}^2{N}^2}\mathrm{\Σ}|F{(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ})|}^2\·$

其中，n_ρ为半径大小坐标点个数，η²图像灰度平均值的平方，为N²表示图像总像素数。然后绘制功率谱图并实时显示，对所获得的功率谱进行分析判断，如果符合焦点处特征则判定目前第二光栅板11的位置就是焦点位置。如果不符合焦点处功率谱密度特征，则通过计算机16控制第二位移平台12，将第二光栅板11沿第二光轴再次移动1微米，重复上述过程直到结束。利用LabVIEW软件编写的具有人机交换界面的光场强度分析软件，将所有的判定结果进行处理分析，标记焦点位置，并将整个控制过程中干涉图的功率谱绘制成二维图形显示出来。

本技术领域中的普通技术人员应该认识到，以上实施例仅是用来说明本实用新型，而并非作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化和变形，都属于本实用新型权利要求书的范围之内。

Claims (1)

1.一种基于LabVIEW的双光栅同轴检焦装置，主要由基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统、位移平台系统、双光栅系统、被测系统、探测模块和电源模块组成，其特征在于：从光束入射方向依次包括光源(1)、准直透镜(2)、第一聚焦透镜(3)、毛玻璃(4)、反射镜(5)、第二聚焦透镜(6)、第一光栅板(7)、第二光栅(11)、CCD(13)；所述的第一光栅板(7)置于第一位移平台(8)上，并位于被测光学系统(10)的物面上；所述的第二光栅(11)置于第二位移平台(12)上，并位于被测光学系统(10)的像方平面上；所述的CCD(13)位于第二光栅板(11)的后方，并通过数据接收总线(14)与计算机(16)相连；

所述的被测光学系统(10)在检测时，被固定在光学系统固定架(9)上；

所述的计算机(16)安装了基于LabVIEW的光场强度检测与检焦控制系统软件，用于测量过程控制，测量数据存储，对CCD采集的干涉条纹进行处理与分析，并控制压电陶瓷驱动器的运动状态。