CN112964454B - 检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种检测***，用于检测待测镜头的成像质量，所述检测***包括：光源，用于发射照明光；针孔装置，所述针孔装置包括一本体及开设于所述本体的通孔，所述通孔位于所述照明光的光路，以使所述照明光至少部分穿过所述通孔，形成检测光，所述针孔装置可相对于所述光源产生相对运动以使得所述检测光以相对于针孔装置本体表面不同的角度入射至所述待测镜头；以及探测器，用于接收从所述待测镜头出射的所述检测光，并用于根据接收到的所述检测光检测所述待测镜头的成像质量。本申请还提供一种检测方法。

Description

检测***及检测方法

技术领域

本申请涉及光学镜头成像质量检测领域，尤其涉及一种检测***和应用于该检测***的检测方法。

背景技术

镜头是光学***中较为重要的光学元件，主要用于将待测物成像至电荷耦合器(Charge coupled Device，CCD)，使得CCD能清晰地获取所述待测物的信息。成像质量是镜头的重要指标，通常以点光源发出的光经镜头聚焦至CCD像面上时像点的尺寸大小(spotsize)来评估镜头成像质量。成像像点的尺寸越小，表明镜头的成像质量越高。通过评估所述像点的尺寸和形状，还可以了解镜头输出像的光场分布，即点扩散函数(point spreadfunction，PSF)，可以更进一步评估镜头的成像质量。

现有技术中一种评估方法为，以激光激发标准颗粒产生荧光，或产生散射光，以该荧光或散射光进行成像，将标准颗粒作为点光源，评估其成像后在相面上像点的尺寸大小。其中，所述标准颗粒为尺寸远小于镜头光学分辨率的颗粒(通常为十纳米或百纳米级尺寸)。

但上述的评估方法需要搭建相对复杂、成本较高的评估***。因此，如何在准确评估镜头成像质量的基础上降低评估***的复杂度和成本为亟待解决的问题。

发明内容

本申请一方面提供一种检测***，用于检测待测镜头的成像质量，所述检测***包括：

光源，用于发射照明光；

针孔装置，所述针孔装置包括一本体及开设于所述本体的通孔，所述通孔位于所述照明光的光路，以使所述照明光至少部分穿过所述通孔，形成检测光，所述针孔装置可相对于所述光源产生相对运动以使得所述检测光以相对于针孔装置本体表面不同的角度入射至所述待测镜头；以及

探测器，用于接收从所述待测镜头出射的所述检测光，并用于根据接收到的所述检测光检测所述待测镜头的成像质量。

本申请另一方面提供一种检测方法，应用于检测***，所述检测***包括光源、针孔装置和探测器，所述针孔装置包括一本体及开设于所述本体上的通孔，所述检测方法包括：

设置所述针孔装置位于待测镜头的焦平面上；

使所述光源发射照明光，以使所述照明光至少部分穿过所述通孔，以形成检测光；以及

控制所述针孔装置与所述光源产生相对运动，以使得所述检测光以不同角度引导至所述待测镜头，控制所述探测器接收从所述待测镜头出射的所述检测光以检测所述待测镜头的成像质量。

上述检测***及检测方法，通过光源和针孔装置的组合可以模拟点光源，探测器接收点光源出射的检测光即可检测待测镜头的成像质量，相较于使用激光作为激发光激发荧光或产生散射光的方式检测待测镜头的成像质量，节省了检测***的成本，且降低了检测***的结构复杂度；在此基础上，针孔装置与光源可产生相对运动以使得检测光被以不同角度被引导至待测镜头，从而可以模拟检测光以不同角度入射的情况，分别检测待测镜头在上述情况下的成像质量。

附图说明

图1为本申请实施例一提供的检测***的模块结构示意图。

图2为本申请实施例一提供的检测***的结构示意图。

图3A为图2中针孔装置的一结构示意图。

图3B为图2中针孔装置的一结构示意图。

图4为图2中针孔装置的平移和旋转示意图。

图5为本申请实施例一提供的检测方法的流程示意图。

图6A为针孔装置垂直于待测镜头光轴时探测器的成像示意图。。

图6B为针孔装置旋转45度时探测器的成像示意图。

图7为本申请实施例二提供的检测***的结构示意图。

主要元件符号说明

检测*** 100、300

光源 10、310

针孔装置 20、320

本体 21、321

通孔 22、322

深度 d1

直径 d2

探测器 30、330

中性灰度镜 40

光引导组件 50

第一反射镜 51

第二反射镜 52

视场平面 P1

旋转平面 P2

检测面 P3

照明光 L1

检测光 L2

待测镜头 200

步骤 S1、S2、S3

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

本申请提供一种检测***及应用于所述检测***的检测方法，用于检测待测镜头的成像质量。本申请中不限定待测镜头的类型、结构参数等。检测所述待测镜头的成像质量时，将所述待测镜头放置于所述检测***的光路中，通过检测所述待测镜头出射的光，以检测所述待测镜头的成像质量。

实施例一

请参阅图1，本实施例中，检测***100用于检测待测镜头200的成像质量。检测***100包括光源10、针孔装置20及探测器30。

光源10用于发射照明光L1。针孔装置20位于照明光L1的光路上，照明光L1可穿过针孔装置20。定义从针孔装置20出射的光为检测光L2。待测镜头200位于针孔装置20和探测器30之间的光路上，待测镜头200用于将检测光L2聚焦成像至探测器30。探测器30用于根据接收到的检测光L2并根据检测结果评价待测镜头200的成像质量。本实施例中，探测器30用于根据接收到的检测光L2在探测器30上像点的大小检测待测镜头200的成像质量。像点越大，表明待测镜头200成像质量越差；像点越小，表明待测镜头200成像质量越好。

请参阅图2，光源10可以是窄波段或者宽光谱光源。光源10出射的照明光L1可以是红外光、紫外光或可见光。照明光L1的波长或波长范围取决于待测镜头200工作的波段。也即，照明光L1的波长或波长范围位于待测镜头200工作的波长范围内。例如待测镜头200工作于红外光的波长范围，则光源10为红外光源，照明光L1为红外光，以检测待测镜头200在其工作的波段下的成像质量。

请一并参阅图2、图3A和图3B，针孔装置20包括本体21及开设于本体21上的通孔22。本实施例中，本体21为厚度均匀的片状结构，具有相互平行的两个表面。通孔22垂直贯穿本体21的所述两个表面，也即，通孔22的深度方向与本体21的厚度方向平行。则，通孔22的深度d1与本体21的厚度相同。通孔22的深度越小，越有利于使得照明光L1穿过通孔22，且当通孔22的深度越小时，针孔装置20位于不同旋转角度时检测光尺寸差异较小。本体21为不透光材料，照明光L1可至少部分从通孔22穿过(部分照明光L1可能被本体21反射或吸收)。

光源10和针孔装置20用于共同模拟点光源，为有利于提升模拟效果，本实施例中，通孔22为圆柱形通孔，其圆度大于90％。通孔圆度越接近1(也即越接近理想的圆)，模拟点光源效果越好。沿通孔22的深度方向(也即本体21的厚度方向)，通孔22的直径d2不变(或相等)，有利于避免照明光L1打在孔壁上被孔壁反射，从而有利于使得照明光L1穿过通孔22。本实施例中，本体21设置为厚度均匀的圆盘状，通孔22与本体21共圆心，有利于简化制程，也有利于提升美观性。为提升成像质量的检测精度，通孔22的直径应远小于待测镜头200的光学分辨率。本实施例中，通孔22的直径小于待测镜头200的光学分辨率的1/10。

请参阅图4，定义相互垂直的X轴、Y轴和Z轴。X轴和Y轴定义一视场平面P1。视场平面P1为与待测镜头200的光轴垂直的平面。Z轴垂直于视场平面P1，且平行于待测镜头200的光轴。

本实施例中，针孔装置20可相对于待测镜头200和光源10产生相对移动。以使得针孔装置20出射的检测光L2可以以不同的角度入射至待测镜头200，从而模拟点光源以不同角度入射至待测镜头200，从而通过探测器30检测在上述不同角度的情况下待测镜头200的成像质量，有利于提升对待测镜头200的成像质量的检测精度。于一变更实施例中，针孔装置20也可设置为仅相对光源10产生相对移动。

本实施例中，针孔装置20可沿着Z轴平移(也即沿着待测镜头200的光轴平移)，以进行对焦。待测镜头200具有一焦平面，通过沿着Z轴平移针孔装置20可将针孔装置20设置于待测镜头200的焦平面上。也即，将针孔装置20设置于待测镜头200的焦点处。也即，使得针孔装置20与待测镜头200的距离为待测镜头200的焦距，针孔装置20与待测镜头200的距离为针孔装置20的几何中心与待测镜头200的垂直距离。

本实施例中，针孔装置20还可在视场平面P1内平移，以使得针孔装置20和光源10可模拟待测镜头200的视场内不同位置的点光源，从而使得探测器30可检测从待测镜头200视场内不同位置的点光源发射的检测光L2。由于待测镜头200存在离轴的像差，所述像点的尺寸和形状会随着立轴距离产生变化。通常情况下，离轴越远,所述像点的尺寸会变大，形状会变的非高斯。因此通过控制针孔装置20在视场平面P1内平移，有利于检测待测镜头200视场中多个不同位置处的点光源入射的检测光L2。

Y轴和Z轴定义一旋转平面P2，旋转平面P2垂直于视场平面P1。本实施例中，针孔装置20还可在旋转平面P2内旋转。也即，针孔装置20可绕轴X旋转，以模拟点光源出射的检测光L2以不同的角度入射至探测器30。从而使得探测器30可检测从不同角度入射的检测光L2。

在实际的使用条件下，待测镜头200的光轴可能并非与探测器30的探测面P3垂直，在这种情况下所述像点会退化，尺寸会变大，形状会变非高斯。本实施例中通过控制针孔装置20旋转，用于模拟待测镜头200的光轴与探测器30的探测面P3之间存在不同角度关系的情况下探测器30接收到的检测光L2。

于一实施例中，检测***100可包括驱动装置(图未示)，驱动装置电连接针孔装置20以驱动针孔装置20沿Z轴平移或在视场平面P1内平移或在旋转平面P2内旋转。于另一实施例中，可将针孔装置20固定于一平台上，通过驱动装置驱动平台平移或旋转以控制针孔装置20平移或旋转。

请再参阅图2，本实施例中，探测器20为面阵相机。探测器30具有一感测面P3。探测器30用于接收检测光L2，并用于检测感测面P3接收到的检测光L2的光斑(也即像点)大小。该光斑的大小即可用于表征待测镜头200的成像质量：光斑越大，表征待测镜头200的成像质量越差；光斑越小，表征待测镜头200的成像质量越好。

本实施例中，检测装置100还包括位于照明光L1光路上的中性灰度镜40。中性灰度镜40用于调制照明光L1的光强并用于将调制光强后的照明光L1引导至针孔装置20。本实施例中，中性灰度镜40用于滤除掉照明光L1中的部分光线，也即中性灰度镜40用于减小照明光L1的光强，以避免光线太强影响检测精准度。

本实施例中，检测装置100还包括位于光源10和针孔装置20之间的光引导组件50。光引导组件50用于将照明光L1引导至针孔装置20。本实施例中，光引导组件50包括第一反射镜51和第二反射镜52，照明光L1依次经过第一发射镜51和第二反射镜52被反射至针孔装置20。通过改变第一发射镜51和第二反射镜52的摆放角度，可改变照明光L1入射至针孔装置20的角度。

请参阅图5，本实施例还提供一种检测方法，应用于上述的检测装置100。所述检测方法包括如下步骤：

步骤S1，设置所述针孔装置位于待测镜头的焦平面上；

步骤S2，使所述光源发射照明光，以使所述照明光至少部分穿过所述通孔，以形成检测光；

步骤S3，控制所述针孔装置与所述光源产生相对运动，以使得所述检测光被以不同角度引导至所述待测镜头，控制所述探测器接收从所述待测镜头出射的所述检测光以检测所述待测镜头的成像质量。

请再一并参阅图2和图4，步骤S1中，将待测镜头200放入检测***100的光路中，具体的，将待测镜头200放置于探测器30和针孔装置20之间。控制针孔装置20在Z轴方向移动，直至针孔装置20位于待测镜头200的焦平面。

步骤S2中，控制光源10出射照明光L1。照明光L1至少部分穿过针孔装置20后，形成检测光L2。检测光L2经过待测镜头200的引导被投射到探测器30的检测面P3上。

步骤S3中，探测器30用于多次接收检测光L2。探测器30用于根据检测光L2入射至检测面P3的光斑(像点)的尺寸，评估待测镜头200的成像质量。

定义一初始状态，在第一时段，针孔装置20处于初始状态，位于待测镜头200的焦平面上。本实施例中，待测镜头200的焦平面即前述的视场平面P1。在所述第一时段，控制光源10开启，探测器30可接收到从针孔装置20出射的检测光L2，探测器30可根据此时接收到的检测光L2获取待测镜头200的成像质量。

在第二时段，旋转针孔装置20，使其相对初始状态具有第一角度θ1，并根据此时接收到的检测光L2获取待测镜头200的成像质量。

如此重复所述第二时段的步骤，还可获取针孔装置20在具有角度θ2、θ3、θ4……时接收到的检测光L2。探测器30根据上述多次接收的检测光L2可检测检测光L2以不同角度入射至检测面P3的情况下待测镜头200的成像质量。

在第三时段，在视场平面P1内平移针孔装置20至视场坐标(x1，y1)处，照明光L1至少部分穿过针孔装置20，形成检测光L2，探测器30接收针孔位置20在视场坐标(x1，y1)处时出射的检测光L2，并根据检测光L2获取待测镜头200的成像质量。

如此重复所述第三时段的步骤，还可接收针孔装置20在视场坐标(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)……时出射的检测光L2。探测器30根据上述多个第三时段接收到的检测光L2可检测检测光L2以不同角度入射至检测面P3的情况下待测镜头200的成像质量。

在第四时段，还可以调节第一反射镜51和第二反射镜52的角度。通过调节第一反射镜51和第二反射镜52的角度可调节照明光L1入射至针孔装置20的角度。通过重复所述第四时段的步骤，探测器30可根据第一反射镜51和第二反射镜52角度的改变分别多次接收第二检测光L2并记录。探测器30可根据多次接收并记录的第二检测光L2检测待测镜头200接收不同角度入射的检测光L2时的成像质量。

通过上述测量过程，可比对不同场景(在视场平面的位置、相对初始状态的旋转角度、照明光的入射角度)下待测镜头200成像质量(分辨率)的差别，并可确认待测镜头200的视场角大小。

本实施例中，探测器30获取信号的具体方式包括：在同一场景下，短时间内获取多个检测光信号，并对获取的多个检测光信号进行均值化，获取最终的信号，该信号的噪声较小，准确度较高。请参阅图6A和图6B，探测器30用于根据接收到的检测光L2进行成像。经上述取平均值处理后，还在获取到的图像中，以检测光L2形成的光斑的中心作为原点建立XY坐标系，分别在X和Y两个维度上截取该光斑的光强度分布数据，该光斑的光强度分布在X和Y方向皆符合正态分布规律，可以高斯函数对前述光强度分布数据进行高斯拟合。

表一(对应图6A)

方向	高斯拟合sigma	半径
			X	1.07	35.31μm
Y	1.05	34.65μm

表二(对应图6B)

方向	高斯拟合sigma	半径
			X	1.29	42.57μm
Y	1.28	42.24μm

本实施例提供的检测方法和检测***100，通过设置光源10和针孔装置20，以光源10发射的照明光L1穿过针孔装置20中的通孔22以模拟点光源，定义针孔装置20出射的光为检测光L2，探测器30接收检测光L2即可检测待测镜头200的成像质量，相较于使用激光作为激发光激发荧光或产生散射光的方式检测待测镜头200的成像质量，节省了检测***100的成本，且降低了检测***100的结构复杂度。在此基础上，针孔装置20与光源10可产生相对运动(针孔装置20在焦平面平移、在旋转平面旋转)以使得检测光L2被以不同角度被引导至待测镜头200，从而可以模拟检测光L2以不同角度入射的情况，分别检测待测镜头200在上述情况下的成像质量。

实施例二

请参阅图7，本实施例提供的检测***300与实施例一中的检测***的主要区别在于：本实施例中针孔装置320的结构不同于实施例一中的针孔装置。

本实施例中，针孔装置320包括本体321及开设于本体321上的多个通孔322。多个通孔322在所述本体321上排列为包括多行和多列的阵列。且本实施例中，为适应多个通孔322排列成的阵列的形状，本体321设置为矩形的片状结构。

照明光L1分时通过本体321上不同的通孔322时，针孔装置320出射的检测光L2分时以不同的角度入射至待测镜头200。则，通过控制照明光L1分时从不同的通孔322出射，可以得到分时以不同角度入射至待测镜头200的检测光L2。也即，通过控制照明光L1分时从不同的通孔322出射，可以模拟视场平面P1内不同位置的点光源出射的光。

因此，本实施例中，检测***300工作时，可通过控制照明光L1分时从不同的通孔322出射，检测由视场平面P1内不同位置的点光源出射的检测光L2，由此减少针孔装置320在视场平面P1内的平移次数。当针孔装置320的面积大于等于待测镜头200的视场面积时，可无需在视场平面P1内平移针孔装置320。

通过减少针孔装置320在视场平面P1内的平移次数，或直接省去在视场平面P1平移针孔装置320的步骤，一方面有利于缩短检测时长；另一方面，直接省去在视场平面P1平移针孔装置320的步骤时，无需设置驱动针孔装置320在视场平面P1平移的结构，则有利于简化检测***300的结构。在此基础上，由于在平移针孔装置320的过程中，操作不当会存在使得针孔装置320偏移待测镜头200焦平面的风险，影响检测精度。因此通过减少针孔装置320在视场平面P1内的平移次数，或直接省去在视场平面P1平移针孔装置320的步骤，还有利于降低针孔装置320偏移待测镜头200焦平面的风险，从而提升检测成像质量的准确度。

于一变更实施例中，可控制照明光L1同时穿过针孔装置320中所有的通孔322，则探测器330可同时接收到多束检测光L2，有利于进一步缩短检测时长。

在该变更实施例中，检测***300还可包括光整形元件(图未示)，光整形元件位于光源310和针孔装置320之间，且位于照明光L1的光路上，用于调节所述照明光L1的光强分布，使得照明光L1在针孔装置320上的光斑足以覆盖针孔装置320上所有的通孔322且在各个通孔322处的光强均匀。本实施例中，照明光L1在针孔装置320上的光斑的光强均匀度＞95％(光强均匀度可通过软件对光斑的光强进行计算)。

本实施例还提供一种检测方法，与实施例一中的检测方法基本相同，区别主要在于，可减少实施例一中所述第三时段数量，或直接省去实施例一中所述的第三时段的步骤。

本实施例提供的检测***300和检测方法，可以实现如实施例一中所述的所有有益效果。在此基础上，针孔装置320包括多个通孔322，可减少针孔装置320在视场平面P1内的平移次数，或直接省去在视场平面P1平移针孔装置320的步骤，一方面有利于缩短检测时长，另一方面有利于降低针孔装置320偏移待测镜头200焦平面的风险，从而提升检测成像质量的准确度。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (12)

1.一种检测***，用于检测待测镜头的分辨率，其特征在于，所述检测***包括：

光源，用于发射照明光；

光引导组件，位于所述照明光光路上；

针孔装置，所述针孔装置包括一本体及开设于所述本体的通孔，所述通孔位于所述照明光的光路上，以使所述照明光至少部分穿过所述通孔，形成检测光，所述光引导组件用于调节所述照明光入射至所述针孔装置的角度，所述针孔装置可相对于所述光源产生相对运动以使得所述检测光以相对于针孔装置本体表面不同的角度入射至所述待测镜头，所述针孔装置还可绕一垂直于所述待测镜头的光轴的轴线旋转，且所述轴线位于所述待测镜头的焦平面内；以及

探测器，用于接收从所述待测镜头出射的所述检测光，并用于根据接收到的所述检测光检测所述待测镜头的分辨率。

2.如权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述针孔装置还可相对于所述待测镜头产生相对运动。

3.如权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述通孔为圆形，所述通孔的直径小于所述待测镜头的光学分辨率的1/10。

4.如权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述针孔装置可沿所述待测镜头的光轴方向移动以使所述针孔装置与所述待测镜头之间的距离为所述待测镜头的焦距。

5.如权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述针孔装置可在所述待测镜头的焦平面内平移。

6.如权利要求4或5所述的检测***，其特征在于，所述检测***还包括驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述针孔装置运动。

7.如权利要求1所述的检测***，其特征在于，还包括位于所述照明光光路上的中性灰度镜，所述中性灰度镜用于调制所述照明光的光强。

8.如权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述针孔装置包括所述本体及开设于所述本体上的多个通孔，所述照明光通过所述多个通孔以形成所述检测光。

9.如权利要求8所述的检测***，其特征在于，所述照明光分时通过所述多个通孔或者，所述照明光同时通过所述多个通孔。

10.如权利要求8所述的检测***，其特征在于，还包括位于所述照明光光路上的光整形元件，所述光整形元件用于调节所述照明光的光强分布。

11.一种检测方法，应用于检测***，其特征在于，所述检测***包括光源、光引导组件、针孔装置和探测器，所述针孔装置包括一本体及开设于所述本体上的通孔，所述检测方法包括：

设置所述针孔装置位于待测镜头的焦平面上；

使所述光源发射照明光，并使所述光引导组件调节所述照明光入射至所述针孔装置的角度，以使所述照明光至少部分穿过所述通孔，以形成检测光；以及

控制所述针孔装置与所述光源产生相对运动，并控制所述针孔装置绕一垂直于所述待测镜头的光轴的轴线旋转，以使得所述检测光以不同角度引导至所述待测镜头，控制所述探测器接收从所述待测镜头出射的所述检测光以检测所述待测镜头的分辨率，其中，所述轴线位于所述待测镜头的焦平面内。

12.如权利要求11所述的检测方法，其特征在于，所述控制所述针孔装置与所述光源产生相对运动的步骤包括：

控制所述针孔装置在所述待测镜头的焦平面内平移。