CN217505161U - 一种自聚焦透镜数值孔径测试装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种自聚焦透镜数值孔径测试装置，涉及自聚焦透镜测试技术领域，包括沿滑轨滑动设置的光束质量分析仪，以及与光束质量分析仪电连接的控制器，光束质量分析仪的接收面的一侧设置发光物面，待测自聚焦透镜设置在发光物面和光束质量分析仪之间且可在滑轨上滑动，光束质量分析仪检测到发光物面发出的光束经待测自聚焦透镜的成像区域在光束质量分析仪上的投影与预设目标区域重合，控制器根据发光物面到待测自聚焦透镜之间的距离以及发光物面的尺寸计算待测自聚焦透镜的数值孔径。本测试方式不受限于自聚焦透镜的尺寸和数值孔径的大小，测试精度高，满足规模生产需求；测试装置组建简单，使用方便；具备生产规模化在线检测、快速测试的优点。

Description

一种自聚焦透镜数值孔径测试装置

技术领域

本申请涉及自聚焦透镜测试技术领域，具体涉及一种自聚焦透镜数值孔径测试装置。

背景技术

数值孔径是光学镜头非常重要的一个技术指标，反映了光学系统收集光的能力，也决定了系统的最小分辨能力。对于自聚焦透镜而言，意义不仅于此，数值孔径除了反应特性，同时也是衡量玻璃材料交换、制备、像差的重要指标，需要在生产实践中经常测量。

目前市场上鲜有针对自聚焦透镜的数值孔径的测量装置，较为成熟的测量仪器“数值孔径计”，使用场景仅限于显微镜系统镜头的测量，特别是当数值孔径大于0.4时，需要借助辅助物镜来操作，操作过程比较复杂且精度低，完全不适合尺寸微小且数值孔径较大的自聚焦透镜的测量。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种自聚焦透镜数值孔径测试装置，能够有效测试自聚焦透镜的数值孔径，且测试简便，效率和精度高。

本申请实施例的一方面，提供了一种自聚焦透镜数值孔径测试装置，包括沿滑轨滑动设置的光束质量分析仪，以及与所述光束质量分析仪电连接的控制器，所述光束质量分析仪的接收面的一侧设置发光物面，待测自聚焦透镜设置在所述发光物面和所述光束质量分析仪之间且可在所述滑轨上滑动，所述光束质量分析仪检测到所述发光物面发出的光束经所述待测透镜的成像区域在所述光束质量分析仪上的投影与预设目标区域重合，所述控制器根据所述发光物面到所述待测自聚焦透镜之间的距离以及所述发光物面的尺寸计算所述待测自聚焦透镜的数值孔径。

可选地，所述发光物面上设置有具有预设直径的圆孔，所述圆孔的中心和所述待测自聚焦透镜的中心共线。

可选地，所述发光物面的材料为黑色吸光材料。

可选地，所述待测自聚焦透镜通过驱动件与所述滑轨连接，所述驱动件和所述控制器电连接，以自动控制所述待测自聚焦透镜在所述滑轨上滑动。

可选地，所述滑轨上设置位移传感器，以检测所述待测自聚焦透镜在所述滑轨上的位移，所述位移传感器和所述控制器电连接。

可选地，所述滑轨上还设置读数显微镜，所述读数显微镜的中心和所述待测自聚焦透镜的中心共线，以用于人工观测。

可选地，所述待测自聚焦透镜的数值孔径的计算公式满足：d＝sin(arctan(r/L))，其中，d为数值孔径，r为发光物面的半径，L为自聚焦透镜与发光物面之间的距离。

可选地，所述黑色吸光材料为碳纳米管。

本申请实施例提供的自聚焦透镜数值孔径测试装置，包括发光物面，沿发光物面的出光方向依次设置待测自聚焦透镜和光束质量分析仪，其中待测自聚焦透镜和光束质量分析仪设置在滑轨上，可沿滑轨移动；通过移动滑轨上的待测自聚焦透镜，以调整发光物面到待测自聚焦透镜之间的距离，直至光束质量分析仪检测到发光物面发出的光束经待测自聚焦透镜的成像区域在光束质量分析仪上的投影与预设目标区域重合时，停止移动待测透镜，控制器根据发光物面到待测自聚焦透镜之间的距离以及发光物面的尺寸计算待测自聚焦透镜的数值孔径。光束质量分析仪也可沿滑轨预先移动，以调节成像效果。本申请的测试方式，不受限于自聚焦透镜的尺寸和数值孔径的大小，对于尺寸微小且数值孔径较大的自聚焦透镜的测量没有限制，适用范围广；相较于现有技术，本申请减少了一组物镜，只测试一组物距即可，减少物距的测量次数，减少现有观察物镜的算法，测量效率提升；采用光束质量分析仪替代CCD相机，可直接用于测试，不需定制额外的功能软件；整体测试精度高，有效满足规模生产的需求；测试装置组建简单，使用方便快捷；具备生产规模化在线检测、快速测试的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是现有技术透镜数值孔径测试装置结构示意图；

图2是本实施例提供的自聚焦透镜数值孔径测试装置结构示意图。

图标：10-物面；11-自聚焦透镜；12-观察物镜；13-CCD相机；14-计算机处理系统；101-发光物面；102-光束质量分析仪；103-控制器；104-滑轨；200-自聚焦透镜。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

市场上用于针对自聚焦透镜数值孔径的测量装置，使用场景仅限于显微镜系统镜头的测量，特别是当数值孔径大于0.4时，需要借助辅助物镜来操作，操作过程比较复杂且精度低。完全不适合尺寸微小且数值孔径较大的自聚焦透镜的测量。

本申请实施例提供一种自聚焦透镜数值孔径测试装置，适用于包括自聚焦透镜在内的透镜数值孔径测试，请参照图2所示，其包括：沿滑轨104滑动设置的光束质量分析仪102，以及与光束质量分析仪102电连接的控制器103，光束质量分析仪102的接收面的一侧设置发光物面101，待测自聚焦透镜200设置在发光物面101和光束质量分析仪102之间且可在滑轨104上滑动，光束质量分析仪102检测到发光物面101发出的光束经待测自聚焦透镜200的成像区域在光束质量分析仪102上的投影与预设目标区域重合，控制器103根据发光物面101到待测自聚焦透镜200之间的距离以及发光物面101的尺寸计算待测自聚焦透镜200的数值孔径。

发光物面101、待测自聚焦透镜200和光束质量分析仪102依次设置，其中待测自聚焦透镜200和光束质量分析仪102均设置在滑轨104上以沿滑轨104移动。发光物面101朝向待测自聚焦透镜200发射光束，经待测自聚焦透镜200的成像区域以在光束质量分析仪102上投影，光束质量分析仪102将投影反馈给控制器103，控制器103内提前预设目标区域，当投影与目标区域重合时，此时对待测自聚焦透镜200的数值孔径进行检测。检测依据的是发光物面101到待测自聚焦透镜200之间的距离，以及发光物面101的尺寸，根据上述参数，可以计算得到待测自聚焦透镜200的数值孔径。

通过待测自聚焦透镜200在滑轨104上的移动，调整发光物面101到待测自聚焦透镜200之间的距离，以调整待测自聚焦透镜200的成像区域在光束质量分析仪102上的投影位置，使之与目标区域重合以进行检测，测试简单、方便，效率高。光束质量分析仪102也可沿滑轨104预先移动，以调节成像效果，一旦光束质量分析仪102位置确定后，在测试中光束质量分析仪102固定不动，仅移动待测自聚焦透镜200即可。

进一步地，发光物面101上设置有圆孔，圆孔的中心、待测的自聚焦透镜的中心，以及光束质量分析仪102的中心三者共线，圆孔的直径采用预设直径值，以提高检测精度。

本申请的自聚焦透镜数值孔径测试装置工作时，首先物理测量待测自聚焦透镜200直径，将直径目标反馈给控制器103；其次自聚焦透镜初始位置为设定好的远离圆孔发光物面101的一侧，发光物面101在自聚焦透镜右侧成较小发光圆孔像；然后待测自聚焦透镜200沿滑轨104向发光物面101移动；光束质量分析仪102检测发光圆形像区域放大过程与控制器103中设定目标区域重合度，当检视完全重合时，待测自聚焦透镜200停止移动；系统传递此时的待测自聚焦透镜200距离圆孔发光物面101的距离；最后根据物距和物面尺寸，系统计算数值孔径。这样的测试方式，不受限于待测自聚焦透镜200的尺寸和数值孔径的大小，对于尺寸微小且数值孔径较大的待测自聚焦透镜200的测量没有限制，适用范围广。

以自聚焦透镜11为例，如图1所示，现有透镜数值孔径测试中，使用透明栅格作为物面10，采用均匀光照明，物面10出光方向依次设置待测的自聚焦透镜11、观察物镜12、CCD相机13和计算机处理系统14，其工作原理是将上述器件设置在同一水平轴上，自聚焦透镜11安装在带有位移探测器(光栅尺)的移动平台上。平移台移动距离，通过CCD相机13获取平移前后的两幅图像，同时获得每一图像所对应的充满自聚焦透镜11视场的物面10高度；结合位移传感器获得的前后两幅图像的距离差，通过计算机处理系统14获取自聚焦透镜11的数值孔径。其中，对物高判定由计算机处理系统14完成，即提取图像中心截线上个像素点的灰度信息，以及获取感兴趣区域的中心截线的两个边缘点的位置信息；根据灰度信息确定中心截线上的N个有效峰值的位置信息，并获取对应的位置信息的拟合曲线并且外插峰值点；将边缘点的位置信息回代拟合曲线以得到上边缘和下边缘的长度；将视场纵向占据的N-1个矩形的高度加上上边缘和下边缘的长度，得到每一图像所对应的充满自聚焦透镜11视场的物面10高度。

上述现有技术的测试存在客观缺陷，主要包括系统需要测量两次像高和两次物距，系统处理时间较长；系统使用了3号观察物镜12，所以计算机处理系统14还需处理观察物镜12与待测自聚焦透镜200之间的关系，增加处理时间以及引入测量误差；效率有待提高、成本需要降低以适应生产。

相较于现有测试来说，本申请减少了一组物镜，只测试一组物距即可，减少物距的测量次数，同时像测量由成熟的积分算法生成，减少现有观察物镜12的算法，测量效率提升20％；采用光束质量分析仪102替代CCD相机13，光束质量分析仪102是一种诊断装置，可以测量激光光束的整个光强截面，即不仅能测量光束半径还可以测量得到细节形状。可以定性给出光束截面可以用于激光的对准，而测量光轴不同位置处的光束半径可以计算M2因子或者光束参量乘积，定性表征光束质量，因此可直接用于测试，而采用CCD相机13时还需定制额外的功能软件，因此相较于CCD相机13，采用光束质量分析仪102能较少的进行软件的定制；整体测试精度公差为+/-0.02，精度高，能满足规模生产的需求；测试装置组建简单，使用方便快捷；具备生产规模化在线检测、快速测试的优点。

进一步地，本申请采用积分算法计算数值孔径，待测自聚焦透镜200的数值孔径的计算公式满足：数值孔径＝sin(arctan发光物面101的半径/自聚焦透镜200与发光物面101之间的距离)，即d＝sin(arctan(r/L))，其中，d为数值孔径，r为发光物面101的半径，L为自聚焦透镜200与发光物面101之间的距离。发光物面101的半径、自聚焦透镜200与发光物面101之间的距离均可测得，由上述公式即可计算得到自聚焦透镜200的数值孔径。

综上，本申请实施例提供的自聚焦透镜数值孔径测试装置，包括发光物面101，沿发光物面101的出光方向依次设置待测自聚焦透镜200和光束质量分析仪102，其中待测自聚焦透镜200和光束质量分析仪102设置在滑轨104上，可沿滑轨104移动；通过移动滑轨104上的待测自聚焦透镜200，以调整发光物面101到待测自聚焦透镜200之间的距离，直至光束质量分析仪102检测到发光物面101发出的光束经待测自聚焦透镜200的成像区域在光束质量分析仪102上的投影与预设目标区域重合时，停止移动待测自聚焦透镜200，控制器103根据发光物面101到待测自聚焦透镜200之间的距离以及发光物面101的尺寸计算待测自聚焦透镜200的数值孔径。光束质量分析仪102也可沿滑轨104预先移动，以调节成像效果。本申请的测试方式，不受限于自聚焦透镜的尺寸和数值孔径的大小，对于尺寸微小且数值孔径较大的自聚焦透镜的测量没有限制，适用范围广；相较于现有技术，本申请减少了一组物镜，只测试一组物距即可，减少物距的测量次数，减少现有观察物镜12的算法，测量效率提升20％；采用光束质量分析仪102替代CCD相机13，可直接用于测试，不需定制额外的功能软件；整体测试精度高，有效满足规模生产的需求；测试装置组建简单，使用方便快捷；具备生产规模化在线检测、快速测试的优点。

进一步地，为提高测试质量，发光物面101的材料为黑色吸光材料。采用黑色吸光材料，使得发光物面101上集中的光源能量更强，出射光束的能量强，得到的成像效果更明亮，利于测试。

黑色吸光材料可为碳纳米管，其吸光效果好，对可见光具有高吸收率，作为发光物面101利于光线的捕捉。当然，黑色吸光材料还可采用其他材料，只要利于吸光即可，并不以上述材料为限。

为提高自动化测试程度，待测自聚焦透镜200通过驱动件与滑轨104连接，驱动件和控制器103电连接，以自动控制待测自聚焦透镜200在滑轨104上滑动。

控制器103启动，控制驱动件动作，驱动待测自聚焦透镜200沿滑轨104移动，实现待测自聚焦透镜200在滑轨104上的自动移动功能。当然，光束质量分析仪102也可采用驱动件的方式，实现自动移动，其原理和待测自聚焦透镜200一致，此处不再赘述。

此外，滑轨104上设置位移传感器，以检测待测自聚焦透镜200在滑轨104上的位移，位移传感器和控制器103电连接。

位移传感器用于检测待测自聚焦透镜200在滑轨104上的位移，换言之，以自动获取待测自聚焦透镜200和发光物面101之间的距离并反馈给控制器103，控制器103根据计算公式自动计算自聚焦透镜的数值孔径。

另一方面，滑轨104上还设置读数显微镜，读数显微镜的中心和待测自聚焦透镜200的中心共线，以用于人工观测。

可用读数显微镜替代光束质量分析仪102，通过人工观测的方式进行数值孔径的计算。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自聚焦透镜数值孔径测试装置，其特征在于，包括：沿滑轨滑动设置的光束质量分析仪，以及与所述光束质量分析仪电连接的控制器，所述光束质量分析仪的接收面的一侧设置发光物面，待测自聚焦透镜设置在所述发光物面和所述光束质量分析仪之间且可在所述滑轨上滑动，所述光束质量分析仪检测到所述发光物面发出的光束经所述待测自聚焦透镜的成像区域在所述光束质量分析仪上的投影与预设目标区域重合，所述控制器根据所述发光物面到所述待测自聚焦透镜之间的距离以及所述发光物面的尺寸计算所述待测自聚焦透镜的数值孔径。

2.根据权利要求1所述的自聚焦透镜数值孔径测试装置，其特征在于，所述发光物面上设置有具有预设直径的圆孔，所述圆孔的中心和所述待测自聚焦透镜的中心共线。

3.根据权利要求1或2所述的自聚焦透镜数值孔径测试装置，其特征在于，所述发光物面的材料为黑色吸光材料。

4.根据权利要求1所述的自聚焦透镜数值孔径测试装置，其特征在于，所述待测自聚焦透镜通过驱动件与所述滑轨连接，所述驱动件和所述控制器电连接，以自动控制所述待测自聚焦透镜在所述滑轨上滑动。

5.根据权利要求1所述的自聚焦透镜数值孔径测试装置，其特征在于，所述滑轨上设置位移传感器，以检测所述待测自聚焦透镜在所述滑轨上的位移，所述位移传感器和所述控制器电连接。

6.根据权利要求4所述的自聚焦透镜数值孔径测试装置，其特征在于，所述滑轨上还设置读数显微镜，所述读数显微镜的中心和所述待测自聚焦透镜的中心共线，以用于人工观测。

7.根据权利要求1所述的自聚焦透镜数值孔径测试装置，其特征在于，所述待测自聚焦透镜的数值孔径的计算公式满足：d＝sin(arctan(r/L))，其中，d为数值孔径，r为发光物面的半径，L为自聚焦透镜与发光物面之间的距离。

8.根据权利要求3所述的自聚焦透镜数值孔径测试装置，其特征在于，所述黑色吸光材料为碳纳米管。

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