CN110646168B - 一种自聚焦透镜的纵向球差测量方法 - Google Patents

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本发明涉及自聚焦透镜领域，具体涉及一种自聚焦透镜的纵向球差测量方法。设置有一测量装置，包括依次设置的相机、显微物镜、自聚焦透镜和导光单元，所述纵向球差测量方法的步骤包括：调整自聚焦透镜的位置，将相机成像中心清晰时对应的位置设为初始位置，并获取当前图像；等距多次移动自聚焦透镜，移动方向为使自聚焦透镜的像面边缘点清晰的方向，并获取每次移动后的图像；根据图像拟合出自聚焦透镜的像面分布；获取所述自聚焦透镜的纵向球差。本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过利用计算机定义了像点清晰的判据，拟合找出最清晰的像点信息，减少了人眼判定带来的误差。

Description

一种自聚焦透镜的纵向球差测量方法
技术领域
本发明涉及自聚焦透镜领域，具体涉及一种自聚焦透镜的纵向球差测量方法。
背景技术
自聚焦透镜(GrinLens)又称为梯度变折射率透镜，是指其折射率分布沿径向渐变的柱状光学透镜，具有聚焦和成像功能。自聚焦透镜通过径向渐变折射率的方式，实现光线在透镜内部周期性传播，改变其长度就可以调节光线调制周期，进而实现与透镜相同功能。
而球差作为自聚焦透镜像差中重要的一项，其测量结果的精确性对自聚焦透镜成像质量的评价非常重要。
在现有的测量纵向球差的方法中，大多数采用人眼通过读数显微镜分别读出中心像点、边缘像点的清晰成像对应的位置刻度，用后者刻度减去前者刻度求出自聚焦透镜的纵向球差。
这种依靠人眼判别像点是否清晰成像的方法具有较大的误差，所计算出的纵向球差也具有较大的不准确性，因此利用计算机去精确测量球差值具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种自聚焦透镜的纵向球差测量方法，解决现有人工测量法测量自聚焦透镜的纵向球差带来的精度低、耗时久等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种自聚焦透镜的纵向球差测量方法，设置有一测量装置，包括依次设置的相机、显微物镜、自聚焦透镜和导光单元，所述导光单元上设有标准菲林片，所述导光单元的光照射标准菲林片，并经过自聚焦透镜、显微物镜并成像于相机，所述自聚焦透镜可独立移动；所述纵向球差测量方法的步骤包括：调整自聚焦透镜的位置，将相机成像中心清晰时对应的位置设为初始位置，并获取当前图像；等距多次移动自聚焦透镜，移动方向为使自聚焦透镜的像面边缘点清晰的方向，并获取每次移动后的图像；根据图像拟合出自聚焦透镜的像面分布；获取所述自聚焦透镜的纵向球差。
其中，较佳方案是，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：依次对每张图像提取感兴趣区域；提取感兴趣区域的纵截线和横截线，并获取所述纵截线和横截线关于中心对称的峰点；根据峰点的平均梯度，获取对应峰点在平均梯度最大时所对应的透镜位移量；并获取纵方向和横方向拟合出的像面面型图线和函数表达式；将像面的中心点带入函数求出像面中心点清晰时对应移动方向上的位移坐标，以及将边缘点的位置坐标带入函数求出边缘点清晰对应移动方向上的位移坐标，得到自聚焦透镜的纵向球差值。
其中，较佳方案是，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：等距N次移动自聚焦透镜，并共获取N+1个图像，并依次对每张图像掩模提取感兴趣区域；提取感兴趣区域的纵截线和横截线，并获取所述纵截线和横截线关于中心对称的M个峰点；分别对每张图像中的M个峰点进行处理，得到的平均梯度K和对应的透镜位移量进行拟合，得到关于M个峰点的M个拟合图线；根据每个个峰点的拟合图线，拟合确定每个峰点在平均梯度K最大时对应的透镜位移量；将每个峰点在平均梯度K最大时对应的透镜位移量与七个峰点在感兴趣区域的坐标位置进行拟合，获取纵方向和横方向拟合出的像面面型图线和函数表达式。
其中，较佳方案是，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：分别对每一峰点在对应图像中得到的平均梯度K和对应的透镜位移量进行五次最小二乘法拟合，得到关于每张图片M个峰点的M个拟合图线；将每个峰点在平均梯度K最大时对应的透镜位移量与七个峰点在感兴趣区域的坐标位置进行四次最小二乘法拟合，获取纵方向和横方向拟合出的像面面型图线和函数表达式。
其中，较佳方案是，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：提取感兴趣区域的纵截线和横截线，并获取所述纵截线和横截线关于中心对称的M个峰点；对每一图像的M个峰点，分别在峰点左侧和右侧找出梯度最大的位置并记录最大梯度值为KL、KR，求出每个峰点的平均梯度K＝(KL+KR)/2。
其中，较佳方案是，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：将像面的中心点带入函数求出像面中心点清晰时对应移动方向上的位移坐标S1，以及将边缘点的位置坐标带入函数求出边缘点清晰对应移动方向上的位移坐标S2，根据公式ΔS＝S2-S1，得到自聚焦透镜的纵向球差值。
其中，较佳方案是：所述相机的中心、显微物镜的中心、自聚焦透镜的中心和标准菲林片的中心均为同轴设置。
其中，较佳方案是：所述导光单元包括导光板和设置在导光板上的侧光源，所述标准菲林片设置在导光板上，所述侧光源和导光板均匀照射标准菲林片，标准菲林片的物光线经过自聚焦透镜、显微物镜并成像于相机。
其中，较佳方案是：所述标准菲林片为正方形网格菲林片，包括黑色不透光部分以及透光部分，所述透光部分为条纹。
其中，较佳方案是：所述自聚焦透镜为1/4周期长。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过利用计算机定义了像点清晰的判据，拟合找出最清晰的像点信息，减少了人眼判定带来的误差；以及，拟合出自聚焦透镜的像面分布，更丰富全面的描述自聚焦透镜的像面特点，并利用插值方法求出中心像点清晰和边缘像点清晰对应移动方向上的位移坐标，使得获得的纵向球差值更为精确。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明自聚焦透镜的纵向球差测量方法的流程示意图；
图2是本发明自聚焦透镜的纵向球差测量方法的具体流程示意图；
图3是本发明自聚焦纵向球差的定义原理图；
图4是本发明测量装置的结构示意图；
图5是本发明正方形网格菲林片的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1至图5所示，提供一种自聚焦透镜的纵向球差测量方法的优选实施例。
一种自聚焦透镜的纵向球差测量方法，设置有一测量装置，包括依次设置的相机6、显微物镜5、自聚焦透镜3和导光单元，所述导光单元上设有标准菲林片，所述导光单元的光照射标准菲林片2，并经过自聚焦透镜3、显微物镜5并成像于相机6，所述自聚焦透镜3可独立移动；所述纵向球差测量方法的步骤包括：
步骤S11、调整自聚焦透镜3的位置，将相机6成像中心清晰时对应的位置设为初始位置，并获取当前图像；
步骤S12、等距多次移动自聚焦透镜3，移动方向为使自聚焦透镜3的像面边缘点清晰的方向，并获取每次移动后的图像；
步骤S20、根据图像拟合出自聚焦透镜3的像面分布；
步骤S30、获取所述自聚焦透镜3的纵向球差。
在本实施例中，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：
步骤S21、依次对每张图像提取感兴趣区域；
步骤S22、提取感兴趣区域的纵截线和横截线，并获取所述纵截线和横截线关于中心对称的峰点；
步骤S23、根据峰点的平均梯度，获取对应峰点在平均梯度最大时所对应的透镜位移量；
步骤S24、并获取纵方向和横方向拟合出的像面面型图线和函数表达式；
步骤S31、将像面的中心点带入函数求出像面中心点清晰时对应移动方向上的位移坐标；
步骤S32、以及将边缘点的位置坐标带入函数求出边缘点清晰对应移动方向上的位移坐标；
步骤S33、得到自聚焦透镜3的纵向球差值。
更具体地，在步骤S12中，等距N次移动自聚焦透镜3，并共获取N+1个图像，并依次对每张图像掩模提取感兴趣区域。优选地，将自聚焦透镜3往使像面边缘点清晰对应的方向移动，移动五次，每次位移0.1mm，用相机6采集每次位移后的像面图像，共采集六张图像。
在步骤S22中，提取感兴趣区域的纵截线和横截线，并获取所述纵截线和横截线关于中心对称的M个峰点。计算机读入步骤S12获得的六张图像，依次对每张图片掩模提取感兴趣区域，提取感兴趣区域中心的纵(横)向截线，根据感兴趣区域的圆心位置定位像面纵截线和横截线上关于中心对称的七个峰点。
在步骤S23中，分别对每张图像中的M个峰点进行处理，得到的平均梯度K和对应的透镜位移量进行拟合，得到关于M个峰点的M个拟合图线；根据每个个峰点的拟合图线，拟合确定每个峰点在平均梯度K最大时对应的透镜位移量。具体地，提取感兴趣区域的纵截线和横截线，并获取所述纵截线和横截线关于中心对称的M个峰点；对每一图像的M个峰点，分别在峰点左侧和右侧找出梯度最大的位置并记录最大梯度值为KL、KR，求出每个峰点的平均梯度K＝(KL+KR)/2。
在步骤S24中，将每个峰点在平均梯度K最大时对应的透镜位移量与七个峰点在感兴趣区域的坐标位置进行拟合，获取纵方向和横方向拟合出的像面面型图线和函数表达式。
其中，分别对每一峰点在对应图像中得到的平均梯度K和对应的透镜位移量进行五次最小二乘法拟合，得到关于M个峰点的M个拟合图线；将每个峰点在平均梯度K最大时对应的透镜位移量与七个峰点在感兴趣区域的坐标位置进行四次最小二乘法拟合，获取纵方向和横方向拟合出的像面面型图线和函数表达式。
在步骤S30中，将像面的中心点带入函数求出像面中心点清晰时对应移动方向上的位移坐标S1，以及将边缘点的位置坐标带入函数求出边缘点清晰对应移动方向上的位移坐标S2，根据公式ΔS＝S2-S1，得到自聚焦透镜3的纵向球差值。并且，参考图3，当平行于轴的光束射向光学***，光学***的边缘光线将聚焦于边缘焦点，近轴光线聚焦于近轴焦点，两个焦点间的轴上距离ΔS被称为纵向球差。
在本实施例中，并参考图4和图5，测量装置包括依次设置的相机6、显微物镜5、自聚焦透镜3和导光单元，以及与相机6连接的处理器，所述导光单元和自聚焦透镜3可独立纵向移动；其中，所述导光单元包括导光板1、设置在导光板1上的侧光源(包括第一侧光源71和第二侧光源72)、设置在导光板1上的标准菲林片2，所述侧光源和导光板1均匀照射标准菲林片2，标准菲林片2的物光线经过自聚焦透镜3、显微物镜5并成像于相机6；所述处理器通过处理相机6的图像数据获得自聚焦透镜3的像面球差分布信息。
具体地，侧光源发光，使导光板1均匀发光，并照射至标准菲林片2上，标准菲林片2的物光线经过自聚焦透镜3、显微物镜5并成像于相机6，同时成像后的图像被处理器接收，并跟进图像数据获得自聚焦透镜3的像面球差分布信息。其中，标准菲林片2的物光线经过自聚焦透镜3，成像在自聚焦透镜3后截面附近，并经过显微物镜5汇聚，成像于相机6。优选地，所述显微物镜5为二倍显微物镜5；所述相机6为CMOS黑白相机6；侧光源为单色侧光源。
其中，物光进过自聚焦透镜3成像在焦面附近，形成像面分布4。
其中，所述标准菲林片2为正方形网格菲林片，包括黑色不透光部分以及透光部分，所述透光部分为条纹，优选宽0.2mm、周期为1cm；以及，所述标准菲林片2的网格单元周期大小为1厘米，大小为18cm×18cm；以及，正方形网格菲林片距离自聚焦透镜3的15cm，以及所述自聚焦透镜3为1/4周期长，底面直径1.8mm。
其中，所述相机6的中心、显微物镜5的中心、自聚焦透镜3的中心和标准菲林片2的中心均为同轴设置。
以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (9)

1.一种自聚焦透镜的纵向球差测量方法，其特征在于，设置有一测量装置，包括依次设置的相机、显微物镜、自聚焦透镜和导光单元，所述导光单元上设有标准菲林片，所述导光单元的光照射标准菲林片，并经过自聚焦透镜、显微物镜并成像于相机，所述自聚焦透镜可独立移动；所述纵向球差测量方法的步骤包括：
调整自聚焦透镜的位置，将相机成像中心清晰时对应的位置设为初始位置，并获取当前图像；
等距多次移动自聚焦透镜，移动方向为使自聚焦透镜的像面边缘点清晰的方向，并获取每次移动后的图像；
依次对每张图像提取感兴趣区域；
提取感兴趣区域的纵截线和横截线，并获取所述纵截线和横截线关于中心对称的峰点；
根据峰点的平均梯度，获取对应峰点在平均梯度最大时所对应的透镜位移量；
并获取纵方向和横方向拟合出的像面面型图线和函数表达式；
将像面的中心点带入函数求出像面中心点清晰时对应移动方向上的位移坐标，以及将边缘点的位置坐标带入函数求出边缘点清晰对应移动方向上的位移坐标，得到自聚焦透镜的纵向球差值。
2.根据权利要求1所述的纵向球差测量方法，其特征在于，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：
等距N次移动自聚焦透镜，并共获取N+1个图像，并依次对每张图像掩模提取感兴趣区域；
提取感兴趣区域的纵截线和横截线，并获取所述纵截线和横截线关于中心对称的M个峰点；
分别对每张图像中的M个峰点进行处理，得到的平均梯度K和对应的透镜位移量进行拟合，得到关于M个峰点的M个拟合图线；
根据每个个峰点的拟合图线，拟合确定每个峰点在平均梯度K最大时对应的透镜位移量；
将每个峰点在平均梯度K最大时对应的透镜位移量与七个峰点在感兴趣区域的坐标位置进行拟合，获取纵方向和横方向拟合出的像面面型图线和函数表达式。
3.根据权利要求2所述的纵向球差测量方法，其特征在于，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：
分别对每一峰点在对应图像中得到的平均梯度K和对应的透镜位移量进行五次最小二乘法拟合，得到关于每张图片M个峰点的M个拟合图线；
将每个峰点在平均梯度K最大时对应的透镜位移量与七个峰点在感兴趣区域的坐标位置进行四次最小二乘法拟合，获取纵方向和横方向拟合出的像面面型图线和函数表达式。
4.根据权利要求2所述的纵向球差测量方法，其特征在于，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：
提取感兴趣区域的纵截线和横截线，并获取所述纵截线和横截线关于中心对称的M个峰点；
对每一图像的M个峰点，分别在峰点左侧和右侧找出梯度最大的位置并记录最大梯度值为KL、KR，求出每个峰点的平均梯度K＝(KL+KR)/2。
5.根据权利要求1所述的纵向球差测量方法，其特征在于，所述纵向球差测量方法的步骤还包括：
将像面的中心点带入函数求出像面中心点清晰时对应移动方向上的位移坐标S1，以及将边缘点的位置坐标带入函数求出边缘点清晰对应移动方向上的位移坐标S2，根据公式ΔS＝S2-S1，得到自聚焦透镜的纵向球差值。
6.根据权利要求1至5任一所述的纵向球差测量方法，其特征在于：所述相机的中心、显微物镜的中心、自聚焦透镜的中心和标准菲林片的中心均为同轴设置。
7.根据权利要求1至5任一所述的纵向球差测量方法，其特征在于：所述导光单元包括导光板和设置在导光板上的侧光源，所述标准菲林片设置在导光板上，所述侧光源和导光板均匀照射标准菲林片，标准菲林片的物光线经过自聚焦透镜、显微物镜并成像于相机。
8.根据权利要求1至5任一所述的纵向球差测量方法，其特征在于：所述标准菲林片为正方形网格菲林片，包括黑色不透光部分以及透光部分，所述透光部分为条纹。
9.根据权利要求1至5任一所述的纵向球差测量方法，其特征在于：所述自聚焦透镜为1/4周期长。
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