CN105444993B - 一种光学***综合性能测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学***综合性能测试仪，能一次调焦实现焦距测量和光斑分析，包括轴外光斑分析，简化测量和调试过程，同时测量精度高，光斑分析效果好。所述光学***综合性能测试仪的结构是：在水平的主光轴上依次设置有光源、光斑/光焦切换装置、平行光管、被测光学***座和光电接收器；所述光源、光斑/光焦切换装置和平行光管固定在圆转台上，用于提供轴上光或轴外光；所述光斑/光焦切换装置，设置在平行光管焦平面上，包括玻罗板、星点板及切换装置，用于在玻罗板和星点板之间切换；所述被测光学***座固定；所述光电接收器，为面阵光电耦合器，固定在平移台上。

Description

一种光学***综合性能测试仪

技术领域

本发明属于光学设备测试领域，更具体地，涉及一种光学***综合性能测试仪。

背景技术

焦距是光学***最重要的参数,而照明光束通过光学***后成像光斑的能量分布则反映了光学***成像质量的高低,两者是光学***最基本的标志。

焦距大多用焦距仪测量。玻罗板(刻有几对间隔已知的透光狭缝的平板玻璃)置于平行光管的焦面上，透光狭缝被照明后呈平行光，成像在被测光学***的焦面上，再通过固定倍率的显微物镜成像在探测器的接收面上。在探测器上读出狭缝像的间隔，求得被测光学***的焦距。数显的探测器用CCD，因为是一维测量，常用的是线阵CCD。

光斑测试是用平行光束照明被测光学***(直接用准直的激光光束或将星点板置于平行光管焦面产生平行光)在被测光学***上形成取聚焦光斑，将光电探测器调整到被测光学***的焦面上接收。如用四象限探测器等光电器件接收则必须加精密微动装置，逐点移动读数处理，效率低，精度低。

但是，光斑仪用旋转被测光学***与CCD测量轴外光照明的聚焦光斑时还要找出“节点”。被测光学***很少是薄透镜，而厚透镜转动时焦点位置有移动，移动量是不知的，只有绕节点转动量才固定。移动CCD到适当位置接收，故大多光斑分析时不测轴外光斑。

目前的焦距测量和光斑分析需要分别经不同的光学仪器测量，测量分析过程复杂，精度有待提高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光学***综合性能测试仪，其目的在于在卧式结构的测量仪上通过面阵光电耦合器(CCD)，代替现有的线阵光电耦合器，同时采用光斑/光焦切换装置复用光路，由此解决现有的光斑或焦距测量***，功能单一，需要多次对焦且测量精度不高的技术问题

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光学***综合性能测试仪，在水平的主光轴上依次设置有光源、光斑/光焦切换装置、平行光管、被测光学***座和光电接收器；

所述光源、光斑/光焦切换装置和平行光管固定在圆转台上，用于提供轴上光或轴外光；

所述光斑/光焦切换装置，设置在平行光管焦平面上，包括玻罗板、星点板及切换装置，用于在玻罗板和星点板之间切换；

所述被测光学***座可固定；

所述光电接收器，为面阵光电耦合器，固定在平移台上。

优选地，所述光学***综合性能测试仪，其光源包括照明装置、强度调节装置和波长选择装置；所述照明装置产生的光，其光路上设置有强度调节装置和波长选择装置。

优选地，所述光学***综合性能测试仪，其强度调节装置，包括一个或多个衰减片。

优选地，所述光学***综合性能测试仪，其波长选择装置为滤光片。

优选地，所述光学***综合性能测试仪，当所述光学***综合性能测试仪处于焦距测量状态时，所述光源、光斑/光焦切换装置和平行光管提供轴上光，光斑/光焦切换装置切换为玻罗板；当所述光学***综合性能测试仪处于光斑分析状态时，所述光源、光斑/光焦切换装置、和平行光管提供轴上光或轴外光，光斑/光焦切换装置切换为星点板。

优选地，所述光学***综合性能测试仪，所述玻罗板为狭缝玻罗板，其上有成对的刻线，每对刻线间隔已知。

优选地，所述光学***综合性能测试仪，其所述星点板为主光轴上有透光小孔的不透明光学器件，其小孔直径在0.1mm至0.5mm之间。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于本发明实现了光路复用，因此通过一次调焦，即可实现焦距测量和光斑分析。相对于现有技术分别调焦从而测量焦距和分析光斑，本发明所构思的技术方案操作成本和制造成本都大幅降低；

(2)本发明采用水平主光轴的设计，光电接收器调整范围大，且光源和光电接收器都能调整，相对于现有的主光轴垂直通过显微物镜缩短成像范围的焦距测量装置，实现了焦距测试光路和光斑分析光路的复用，同时由于能调整光源能提供轴外光，而不是采用接收器接受偏转模拟的方式，因此轴外光斑分析更为真实准确；

(3)安装时，被测光学***不能避免安装角度偏差，本发明公开的测试仪，经测试能规避安装角度误差，从而提高测量精度，降低安装要求，调试方便。

(4)本发明在进行光斑分析时，由于光电接收器已位于被测***的焦平面上，因此成像效果好，测量精度高，分析速度快。

附图说明

图1是本发明提供的光学***综合性能测试仪结构示意图；

图2是本发明提供的光学***综合性能测试仪进行焦距测量时光路图；

图3是光斑/光焦切换装置插拔结构示意图；

图4是实施例2进行焦距测试时CCD成像；

图5是实施例3光斑测试得到的聚焦光斑；

图6是实施例3光斑测试得到的聚焦光斑能量分布图；

图7是实施例3光斑测试得到的轴外光斑；

图8是实施例3光斑测试得到的轴外光斑能量分布图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为光源，2为光斑/光焦切换装置，3为平行光管，4为被测光学***座，5为光电接收器，6为圆转台，7为平移台，8为光学平台，9为导轨，11为照明装置，12为强度调节装置，13为波长选择装置，21为玻罗板，22为星点板，23为切换装置，31为准直透镜，41为被测光学***。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的光学***综合性能测试仪，如图1所示，在水平的主光轴上依次设置有光源1、光斑/光焦切换装置2、平行光管3、被测光学***座4和光电接收器5。

所述光源1、光斑/光焦切换装置2和平行光管3固定在圆转台6上，用于提供轴上光或轴外光。

所述光源1包括照明装置11、强度调节装置12和波长选择装置13。所述照明装置11产生的光，其光路上设置有强度调节装置12和波长选择装置13。所述照明装置11，最好是能量可调的照明装置11，使得光电接收器5上有响应。优选的，所述照明装置11带有聚光镜，能形成均匀光照明以保证光斑/光焦切换装置2照明均匀。宽光谱照明装置11不同波谱的能量不一，一般可见光的能量较大，红外光的量较小，调节照明装置11的电源电流可实现能量调整。所述强度调节装置12，包括一个或多个衰减片，当照明装置11能量太大时，使用衰减片使得光强处于光电接收器5灵敏范围内。衰减片可方便的***光路或推出光路以减小能量。所述波长选择装置13，用于选择照明装置11的带宽，优选为滤光片。测不同波长的用宽光谱光源或者用几个不同波长的单色光源，加不同波段滤光片。常用有波长540nm的滤光片，用于绿色光源；波长632.8nm的滤光片，用于氦类激光器光源；波长880nm的滤光片，为光线领域常用波长、波长1064nm的滤光片，为常用近红外光。

所述光斑/光焦切换装置2，设置在平行光管3焦平面上，包括玻罗板21、星点板22及切换装置23，用于在玻罗板21和星点板22之间切换。所述玻罗板21为玻罗板21上有成对的刻线，每对刻线间隔已知，所述玻罗板优选为狭缝玻罗板。所述星点板22为主光轴上有透光小孔的不透明光学器件，其小孔直径在0.1mm至0.5mm之间。所述切换装置23对于玻罗板21，复位时的微小位移主要要求刻线不能倾斜。计算得焦距测量相对误差为0.1％时允许倾斜0.5°，可通过玻罗板21与星点半平面拼接、铰接或插拔切换等方式实现。

所述被测光学***座4可固定，可为透镜夹，透镜夹是准标准件，几个一组，用于夹不同直径的透镜，它可保证透镜与光轴同心度，合用非常方便。因被测透镜前面是平行光束，被测光学***41到平行光管3的距离无要求，为了结构紧凑，距离宜小。

所述光电接收器5，固定在平移台7上。所述平移台7可带动光电接收器5沿主光轴往复运动，垂直于主光轴平移。所述光电接收器5，因要测二维光斑，且需要微细单元的能量变化，优选面阵光电耦合器(CCD)。CCD的光谱响应范围由测量范围决定，一般从可见光到近红外(1064um)有响应。所述CCD象元大小均匀，响应度均匀。CCD象元小，分辨率高，象元数多则好。

工作时，被测光学***41固定在光学***综合性能测试仪的被测光学***座4上，使得被测光学***41的主光轴与光学***综合性能测试仪的主光轴重合，依次进行焦距测量和光斑分析。

进行焦距测量时，所述光源1、光斑/光焦切换装置2和平行光管3提供轴上光，光斑/光焦切换装置2切换为玻罗板21。使光电接收器5沿主光轴运动，直至光电接收器5获得清晰的玻罗板21刻线成像。此时测试光路如图2所示。

玻罗板21上一对刻线的距离已知，数值为y，测出CCD上刻线对应的像其间隔y'，平行光管3的准直透镜31的焦距已知，为f'_c，则被测光学***41的焦距f'按照下式计算：

在测量焦距时，在CCD上的多组刻线成像中，选择距离最大的刻线作为间隔y'，使得测量误差最小。

进行光斑分析时，通过调整圆转台6，使得所属光源1、光斑/光焦切换装置2和平行光管3提供轴上光或轴外光，光斑/光焦切换装置2切换为星点板22。星点板22上的小孔，在被测透镜的焦平面上所成的像应为一个圆斑，即光斑。理想的光学***光斑能量分布应成艾里斑或高斯分布。光电接收器5可测出聚焦光斑各点的光能，显示其成像质量。当测轴上光斑时，圆转台归零，由于进行焦距测量后CCD处于被测光学***41的焦平面上，此时CCD上的能量直接显示聚焦光斑能量分布；测轴外光斑时，圆转台旋转指定的角度，聚焦光斑不仅能量分布不同，而且位置有平移。因此调整平移台7，使得CCD在被测光学***的焦平面上垂直于主光轴作水平运动，至光斑在处于光电接收器5的接收范围，此时CCD上的能量直接显示聚焦光斑能量分布。

现有的轴外光斑分析技术，是采用被测光学***41与探测器转动，而不绕节点转动，从而使用逼近轴外光的方式，分析轴外光斑。与此不同，本发明由于是用照明光束倾斜来测量轴外光斑，它符合轴外光斑的定义，不需要找节点，简单而符合实际要求，轴外光斑分析结果更为真实准确。

本发明首先是基于焦距和光斑是光学***两个不同方面的重要特征，同时反映了光学***的性质，希望能同时测量。其次，两者的接收面都是在焦面上，对每一种测量，焦面位置的确定(“对焦”或“调焦”)都是重要环节，特别对光斑测量，焦面位置确定难度较大。而本综合仪，在测焦距时一次找到焦面，可完成两种测量，节约了时间，提高了精度。

以下为实施例：

实施例1

一种光学***综合性能测试仪，如图1所示，在光学平台8上，按照水平的主光轴，依次设置有光源1、光斑/光焦切换装置2、平行光管3、被测光学***座4和光电接收器5。

所述平行光管3准直透镜31焦距为300mm。

所述光源1、光斑/光焦切换装置2和平行光管3固定在圆转台6上，用于提供轴上光或轴外光。圆转台6下设有平移调整台。

所述光源1包括灯泡、衰减片12和滤光片13。所述灯泡产生的光，其光路上依次设置有衰减片12和滤光片13。

所述光斑/光焦切换装置2，设置在平行光管3焦平面上，包括玻罗板21、星点板22及切换装置23，用于在玻罗板21和星点板22之间切换。所述玻罗板21为玻罗板21上有4对的刻线，每对刻线间隔分别为26.004mm、13.002mm、5.997mm和2.800mm，所述玻罗板为狭缝玻罗板。所述星点板22为主光轴上有透光小孔的不透明光学器件，其小孔直径为0.1mm。所述切换装置23对于玻罗板21，复位时的微小位移主要要求刻线不能倾斜。计算得焦距测量相对误差为0.1％时允许倾斜0.5°。转换装置采用插拔结构，如图3所示为包括套件底座，当与其相配合的玻罗板21或星点板22通过插片的方式装载在套件底座上时，星点板22或玻罗板21位于平行光管3准直透镜31的焦点或焦平面上。

所述被测光学***座4固定，可为透镜夹，高度可调。

所述光电接收器5为面阵CCD，固定在平移台7上。所述平移台7可带动光电接收器5垂直于主光轴平移。所属CCD的光谱响应范围从可见光到红外光，象元3.75μm，尺寸1/3英寸。

所述光学***综合性能测试仪采用与主光轴平行的横卧式导轨9；所述固定有光电接收器5的平移台7设置在导轨9上，沿导轨9往复运动。

实施例2

应用实施例1中的光学***综合性能测试仪，测量被测透镜的焦距。

(1)根据被测光学***41适用的波长***滤色片和衰减片：

选择波长为540nm的滤光片，***衰减片。

(2)将所述光斑/光焦切换装置2，切换为玻罗板21。

(3)将被测透镜固定在被测光学***座4上，并调节器高度。

(4)开光源1电源，使CCD在电动导轨9上移动，直至玻罗板21刻划线成像清晰。

光路图如图2所示。

所述CCD上成像如图4所示。

测量得：玻罗板21上一对刻线的距离已知，数值为y＝5.997mm，测出CCD上刻线对应的像其间隔y'＝4.200mm，平行光管3的准直透镜31的焦距已知，为f'_c＝300±0.3mm，则被测光学***41的焦距f'按照下式计算：

得到被测光学***41的焦距f'＝210.1±0.3mm

实施例3

应用实施例1中的光学***综合性能测试仪，测量被测透镜的聚焦光斑。

在实施例2的步骤之后，进行如下操作：

(5)取出玻罗板21，***星点板22；

(6)处理CCD接收的信号，得到：

聚焦光斑如图5所示；聚焦光斑能量分布如图6所示。

(7)给定轴外光倾角1°，圆转台6旋转1°，提供轴外光，平移平移台至CCD接收到轴外光斑。

轴外光光斑如图7所示；能量分布如图8所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光学***光斑/光焦综合性能测试仪，其特征在于，在水平的主光轴上依次设置有光源(1)、光斑/光焦切换装置(2)、平行光管(3)、被测光学***座(4)和光电接收器(5)；

所述光源(1)、光斑/光焦切换装置(2)和平行光管(3)固定在圆转台(6)上，用于提供轴上光或轴外光；

所述光斑/光焦切换装置(2)，设置在平行光管(3)焦平面上，包括玻罗板(21)、星点板(22)及切换装置(23)，用于在玻罗板(21)和星点板(22)之间切换；

所述光电接收器(5)，为面阵光电耦合器，固定在平移台(7)上。

2.如权利要求1所述的光学***光斑/光焦综合性能测试仪，其特征在于，所述光源(1)包括照明装置(11)、强度调节装置(12)和波长选择装置(13)；所述照明装置(11)用于产光，其光路上设置有强度调节装置(12)和波长选择装置(13)。

3.如权利要求2所述的光学***光斑/光焦综合性能测试仪，其特征在于，所述强度调节装置(12)，包括一个或多个衰减片。

4.如权利要求2所述的光学***光斑/光焦综合性能测试仪，其特征在于，所述波长选择装置(13)为滤光片。

5.如权利要求1所述的光学***光斑/光焦综合性能测试仪，其特征在于，当所述光学***综合性能测试仪处于焦距测量状态时，所述光源(1)、光斑/光焦切换装置(2)和平行光管(3)提供轴上光，光斑/光焦切换装置(2)切换为玻罗板(21)；当所述光学***综合性能测试仪处于光斑分析状态时，所述光源(1)、光斑/光焦切换装置(2)、和平行光管(3)提供轴上光或轴外光，光斑/光焦切换装置(2)切换为星点板(22)。

6.如权利要求1所述的光学***光斑/光焦综合性能测试仪，其特征在于，所述玻罗板(21)为狭缝玻罗板(21)，其上有成对的刻线，每对刻线间隔已知。

7.如权利要求1所述的光学***光斑/光焦综合性能测试仪，其特征在于，所述星点板(22)为主光轴上有透光小孔的不透明光学器件，其小孔直径在0.1mm至0.5mm之间。