CN111044260A - 显微物镜畸变测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种显微物镜畸变测试装置及测试方法，其中的装置包括：激光共焦***和球面反射镜，激光共焦***包括光源、准直镜、分光镜、聚焦镜、针孔成像板、成像显微物镜和CCD探测器；其中，光源发出的光束经准直镜准直后照射到分光镜上，光束经分光镜的折射透过待测显微物镜后聚焦在球面反射镜上，光束经过球面反射镜原路反射回分光镜，再经分光镜反射到聚焦镜，经聚焦镜聚焦到针孔成像板进行针孔成像，针孔成像板所成的像经过成像显微物镜放大后通过CCD探测器接收。本发明通过引入激光共焦***，测量精度取决于CCD探测器的精度，相比于传统的畸变测试方法，能够提高测量精度。

Description

显微物镜畸变测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种显微物镜畸变测试装置及测试方法。

背景技术

大视场光学***能够提供高效的利用率，但视场的增大，对光学***畸变的要求要足够小，尤其是像显微物镜这样的高精密***而言，对畸变的大小有着更为严格的要求，这就对显微物镜畸变的测试方法提出了更为严格的要求。目前，畸变的测试方法主要分为两种，分别为精密测长法与精密测角法。精密测长法是指用被标定过的网格板通过被测光学***成像，用精密的测量仪器测量出各个不同视场位置上目标像到中心的距离。精密测角法是用平行光管或被测光学***绕光轴做相对转动，使像面上的星点像位于指定位置，通过计算像点位置高度与测量旋转角度来计算畸变。但这两种测试方法的测量精度较低。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决现有的显微物镜畸变测试方法测量精度低的问题，提出了一种显微物镜畸变测试装置及测试方法，通过激光共焦技术来测量显微物镜的畸变，以提高测试精度。

本发明提供的显微物镜畸变测试装置，包括：激光共焦***和球面反射镜，激光共焦***包括光源、准直镜、分光镜、聚焦镜、针孔成像板、成像显微物镜和CCD探测器；其中，光源发出的光束经准直镜准直后照射到分光镜上，光束经分光镜的折射透过待测显微物镜后聚焦在球面反射镜上，光束经过球面反射镜原路反射回分光镜，再经分光镜反射到聚焦镜，经聚焦镜聚焦到针孔成像板进行针孔成像，针孔成像板所成的像经过成像显微物镜放大后通过CCD探测器接收。

优选地，还包括运动装置，用于驱动球面反射镜移动，使透过待测显微物镜的光束聚焦在球面反射镜的球心位置。

优选地，还包括用于驱动激光共焦***转动的精密转台。

优选地，精密转台为多齿分度台。

优选地，分光镜为偏振分光棱镜，以及，激光共焦***还包括设置在待测显微物镜与偏振分光棱镜之间的四分之一波片。

优选地，还包括位移测量***和平面反射镜，平面反射镜用于反射球面反射镜反射的光束，位移测量***用于接收平面反射镜反射的光束。

优选地，位移测量***为激光测距***或DMI双频激光干涉测量***。

优选地，激光测距***为单频激光测距***或双频激光测距***。

本发明提供的显微物镜畸变测试方法，包括如下步骤：

S1、激光共焦***射出的准直光束入射到待测显微物镜；

S2、调节球面反射镜的位置，使待测显微物镜所成的像点与球面反射镜的球心重合，将此时像点的位置记作y₀；

S3、转动激光共焦***使激光共焦***射出的准直光束以视场角ω入射到被测显微物镜；

S4、调节球面反射镜的位置，使待测显微物镜所成的像点与球面反射镜的球心再次重合，将此时像点的位置记作y_ω；

S5、计算在视场角ω下待测显微物镜的畸变量δ，计算公式为：

δ＝(y_ω-y₀)-f₀tanω；

其中，f₀为待测显微物镜的焦距。

优先地，在步骤S1之前，还包括如下步骤：

S0、通过标准平面镜调整待测显微物镜与激光共焦***中光源的位置，保证激光共焦***发出的准直光与待测显微物镜的光轴平行，使视场角为0。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明引入激光共焦***，测量精度取决于CCD探测器的精度，相比于传统的畸变测试方法，能够提高测量精度。

2、通过引入位移测量***可以进一步提高测量精度。

3、可更换光源测试不同谱段下的显微物镜的畸变。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的显微物镜畸变测试装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的激光共焦***的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的显微物镜畸变测试方法的流程示意图；

图4是根据本发明一个实施例的激光共焦***的响应曲线图。

其中的附图标记包括：激光共焦***1、光源101、准直镜102、分光镜103、聚焦镜104、针孔成像板105、成像显微物镜106、CCD探测器107、四分之一波片108、球面反射镜2、待测显微物镜3、运动装置4、精密转台5、位移测量***6、平面反射镜7。

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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参考图1和图2所示，本发明实施例提供了一种显微物镜畸变测试装置，包括：激光共焦***1和球面反射镜2，激光共焦***1布置在待测显微物镜3的入射方向上，球面反射镜2布置在待测显微物镜3的像面上，激光共焦***1发射出的光束透过待测显微物镜3入射到球面反射镜2汇聚，再经球面反射镜2反射回激光共焦***1。

激光共焦***1包括光源101、准直镜102、分光镜103、聚焦镜104、针孔成像板105、成像显微物镜106和CCD探测器107，光源101、准直镜102、分光镜103依次布置在待测显微物镜3的入射方向上，聚焦镜104、针孔成像板105、成像显微物镜106和CCD探测器107依次布置在分光镜103的反射光路上。

光源101优选为点光源，位于准直镜102的焦点上，用于产生光束。

准直镜102用于将光源10发出的发散的光束准直为平行光束。

分光镜103用于将平行光束入射到待测显微物镜3上，以及将球面反射镜2反射回的光束反射到聚焦镜104上。

为了防止产生干涉现象，分光镜103选用偏振分光棱镜，由于偏振分光棱镜需要配合四分之一波片使用，因此在分光镜103与待测显微物镜3之间设置有四分之一波片108。

聚焦镜104对光束起到汇聚的作用，使光束聚焦到针孔成像板105处。

针孔成像板105位于聚焦镜104的焦面上，在针孔成像板105上开设有用于针孔成像的针孔。

成像显微物镜106可以为低倍显微物镜106或高倍显微物镜106，用于对针孔成像板105所成的像进行放大。

CCD探测器107位于成像显微物镜106的焦面上，用于接收成像显微物镜106放大后的像并将光信号成像为艾里斑。

显微物镜畸变测试装置的测试光路为：光源101发出的光经过准直镜102后准直成平行光后照射到分光镜103上，平行光经过分光镜103、四分之一波片108后照射到待测显微物镜3上，平行光透过待测显微物镜3后形成汇聚光聚焦在球面反射镜2上，经过球面反射镜2的反射后恢复成平行光，平行光反向透过待测显微物镜3和四分之一波片108回到分光镜103，之后经分光镜103的反射进入聚焦镜104进行聚焦，经过聚焦镜104的聚焦后聚焦到针孔成像板105进行针孔成像，所成的像经过成像显微物镜106放大后被CCD探测器107接收。

为了使透过待测显微物镜3的光束聚焦到球面反射镜2的球心上，即使待测显微物镜3的像点与球面反射镜2的球心重合，本发明实施例提供的显微物镜畸变测试装置还包括运动装置4，运动装置4优选为六轴运动装置(为现有技术)，用于驱动球面反射镜2移动，实现对待测显微物镜3的像面的扫描，找到共焦位置，并通过运动装置4记录共焦位置使像点的位置，运动装置4会测量球面反射镜2的位移量，根据该位移量可知像点的位置。

由于运动装置4的测量精度较低，本发明通过增设位移测量***6与其配套使用的平面反射镜7对测量球面反射镜2的位移量，以提高测量精度。

位移测量***6可以为激光测距***或DMI双频激光干涉测量***，激光测距***为单频激光测距***或双频激光测距***。

为了实现不同视场角下待测显微物镜3的畸变测试，需要转动激光共焦***1，因此本发明实施例提供的显微物镜畸变测试装置进一步包括精密转台5，激光共焦***1设置在精密转台5，通过精密转台5带动激光共焦***1转动。

精密转台5可以为多齿分度台等精密转台，在激光共焦***1转动时，通过精密转台5记录激光共焦***1的视场角。

在不同视场角状态下，待测显微物镜3的像点在像面上的位置将发生变化，视场变化越大，像点会超出激光共焦***1的视场范围，此时需要利用运动装置4调节球面反射镜2的位置，使球面反射镜2的球心再次与像点重合，通过运动装置4或位移测量***6测量两次位置差以及精密转台5记录的视场角，在已知待测显微物镜3焦距的情况下，可求取待测显微物镜3的畸变量。

显微物镜畸变测试装置的测试原理为：

激光共焦***1产生的平行光直接入射到被测显微物镜3，运动装置4移动球面反射镜2扫描像面找到共焦位置，记作y₀；利用精密转台5转动激光共焦***1，使入射光以视场角ω入射到被测显微物镜3，运动装置4移动移动球面反射镜2扫描像面找到共焦位置，记作y_ω；y₀与y_ω可由运动装置4或位移测量***6准确测量出来，则在ω视场角下被测显微物镜3的畸变δ可由下述公式计算出来：

δ＝(y_ω-y₀)-f₀tanω

其中，f₀为待测显微物镜3的焦距。

上述内容详细说明了本发明实施例提供的显微物镜畸变测试装置的结构，与上述测试装置相对应，本发明实施例还提供一种利用该测试装置对显微物镜的畸变进行测试的方法。

如图3所示，本发明实施例提供的显微物镜畸变测试方法，包括如下步骤：

步骤1、激光共焦***射出的准直光束入射到待测显微物镜。

在步骤S1之前，还包括如下步骤：

S0、按照图1和图2搭建测试装置，将各部分按照基准位置固定安装，通过标准平面镜调整待测显微物镜3与激光共焦***1中光源的位置，保证激光共焦***1发出的平行光与待测显微物镜3的光轴平行，使视场角ω为0。

步骤2、调节球面反射镜2的位置，使待测显微物镜3所成的像点与球面反射镜2的球心重合，将此时像点的位置记作y₀。

激光共焦***1将光强信息经处理后得到光强函数，数学表达式为：

其中，

λ为点光源101的波长，D为有效准直光束的宽度，f₀为待测显微物镜3的焦距，z为球面反射镜2的球心的离焦量，u为z的归一化位移。

激光共焦***1的响应曲线如图4所示，其峰值位置精确对应待测显微物镜3的像面位置，也是球面反射镜2的球心位置，此时的光斑强度最大。

通过运动装置4将球面反射镜2移动到待测显微物镜3的像面大概位置，通过CCD探测器107的光斑位置及共焦响应曲线的形状判断球面反射镜2的球心位置，并且调节RS使球心与待测显微物镜3的像点重合，此时CCD探测器107中心位置的艾里斑光强最大，共焦探测响应曲线有唯一峰值，如图4，通过运动装置4或位移测量***6记录此时像点的位置y₀，作为中心视场下像点的位置。

步骤3、转动激光共焦***1使激光共焦***1射出的平行光束以视场角ω入射到被测显微物镜3。

根据测量视场角的要求，通过调节精密转台5以改变照射到被测显微物镜3的入射光角度，通过精密转台5记录激光共焦***1的视场角ω。

步骤4、调节球面反射镜2的位置，使待测显微物镜所成的像点与球面反射镜的球心再次重合，将此时像点的位置记作y_ω。

在改变照射到被测显微物镜3的入射光的角度的同时，待测显微物镜3像点的位置随之改变，重复步骤2使球面反射镜2的球心再次与像点重合，通过运动装置4或位移测量***6记录此时像点的位置y_ω，作为视场角ω下像点的位置。

步骤5、计算在视场角ω下待测显微物镜的畸变量δ，计算公式为：

δ＝(y_ω-y₀)-f₀tanω

其中，f₀为待测显微物镜3的焦距。

根据视场角的要求，可重复步骤3和步骤4，测量全部视场并计算记录对应视场的畸变量。

本发明还可更换光源101测试不同谱段下的显微物镜的畸变量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种显微物镜畸变测试装置，其特征在于，包括：激光共焦***和球面反射镜，所述激光共焦***包括光源、准直镜、分光镜、聚焦镜、针孔成像板、成像显微物镜和CCD探测器；其中，所述光源发出的光束经所述准直镜准直后照射到所述分光镜上，所述光束经所述分光镜的折射透过所述待测显微物镜后聚焦在所述球面反射镜上，所述光束经过所述球面反射镜原路反射回所述分光镜，再经所述分光镜反射到所述聚焦镜，经所述聚焦镜聚焦到所述针孔成像板进行针孔成像，所述针孔成像板所成的像经过所述成像显微物镜放大后通过所述CCD探测器接收。

2.根据权利要求1所述的显微物镜畸变测试装置，其特征在于，还包括运动装置，用于驱动所述球面反射镜移动，使透过所述待测显微物镜的光束聚焦在所述球面反射镜的球心位置。

3.根据权利要求2所述的显微物镜畸变测试装置，其特征在于，还包括用于驱动所述激光共焦***转动的精密转台。

4.根据权利要求3所述的显微物镜畸变测试装置，其特征在于，所述精密转台为多齿分度台。

5.根据权利要求2所述的显微物镜畸变测试装置，其特征在于，所述分光镜为偏振分光棱镜，以及，所述激光共焦***还包括设置在所述待测显微物镜与所述偏振分光棱镜之间的四分之一波片。

6.根据权利要求5所述的显微物镜畸变测试装置，其特征在于，还包括位移测量***和平面反射镜，所述平面反射镜用于反射所述球面反射镜反射的光束，所述位移测量***用于接收所述平面反射镜反射的光束。

7.根据权利要求6所述的显微物镜畸变测试装置，其特征在于，所述位移测量***为激光测距***或DMI双频激光干涉测量***。

8.根据权利要求7所述的显微物镜畸变测试装置，其特征在于，所述激光测距***为单频激光测距***或双频激光测距***。

9.一种基于权利要求1-8中任一项所述的显微物镜畸变测试装置的畸变测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、激光共焦***射出的准直光束入射到待测显微物镜；

S2、调节球面反射镜的位置，使所述待测显微物镜所成的像点与所述球面反射镜的球心重合，将此时所述像点的位置记作y₀；

S3、转动所述激光共焦***使所述激光共焦***射出的准直光束以视场角ω入射到所述被测显微物镜；

S4、调节所述球面反射镜的位置，使所述待测显微物镜所成的像点与所述球面反射镜的球心再次重合，将此时所述像点的位置记作y_ω；

S5、计算在视场角ω下所述待测显微物镜的畸变量δ，计算公式为：

δ＝(y_ω-y₀)-f₀tanω；

其中，f₀为所述待测显微物镜的焦距。

10.根据权利要求9所述的畸变测试方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括如下步骤：

S0、通过标准平面镜调整所述待测显微物镜与所述激光共焦***中光源的位置，保证所述激光共焦***发出的准直光与所述待测显微物镜的光轴平行，使视场角为0。

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