CN206710069U - 一种无机械运动的透镜焦距测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种无机械运动的透镜焦距测试装置，朗奇光栅经平行光管在待测透镜的焦平面成像，所成的像再经电控变焦透成像，最后透过显微物镜在CCD相机上获取最清晰的图像。本实用新型通过扫描电压调节变焦透镜焦距，在CCD相机上得到清晰的图像，经图像处理获得物像放大率，进而获得待测透镜的焦距。本实用新型无需机械运动可实现透镜焦距的自动检测，还具有检测方便、精度高、测试范围宽、成本低的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无机械运动的透镜焦距测试装置，属于光电检测的技术领域。
背景技术
透镜是一种应用非常广泛的光学器件，应用于各种各样的光学***，透镜的焦距是其主要的光学参数。透镜的焦距是否精确直接影响光学***的性能，因此，许多应用都需要对其焦距进行精确地测量。
在传统的焦距测量中，用放大率法测量透镜或光学***的焦距，使用带显微镜的目镜测微器读取玻罗板像的间距。因为目镜测微器自身结构的复杂性，在测量过程中旋转微手轮时容易造成成像不稳定，导致回旋误差，而且由于仅依靠操作员主观判断，对操作者要求较高，同时具有较大的人为误差。目前将图像测量技术应用到透镜焦距测量中，能实现自动判读和测量，极大地提高了测量效率和测量精度，并避免了人为误差。但放大率法测量透镜或光学***的焦距仍然存在的问题有：
(1)CCD获得清晰的像是测量玻罗板像的间距大小的前提，必须经过精密移动显微拍摄***的位置才能获得清晰的像，焦距测量的范围越大，机械移动的距离越远，且在整个移动范围内都要保证在***的光轴上。若要实现自动测量，就需要高精度的步进电机，而高精度大范围的机械运动可控***价格较高，会增加测试***的成本，而且增加了***的调节难度。
(2)目前采用的玻罗板为三対刻线，在调节过程中易于跑出视场，且测量精度不够高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于用无机械运动的透镜焦距测试装置解决现有透镜焦距测试装置调节困难、测议精度低、成本高等问题，用本实用新型所述的测试方法可快速、准确自动检测透镜焦距，检测方便、精度高、测试范围宽、成本低。
一种无机械运动的透镜焦距测试装置，包括：LED光源，朗奇光栅、平行光管、待测透镜、电控变焦透镜和显微镜依次设置在LED光源的出射光路上；所述电控变焦透镜上连接高压放大器，高压放大器通过函数发生器连接至电脑端，在电脑端操作函数发生器为高压放大器提供不同的驱动信号，从而驱动电控变焦透镜的焦距连续可调；高压放大器与示波器连接，在示波器上检测高压放大器输出的波形；显微镜连接至电脑端，电脑端安装有自动扫描示波器上的电压波形、从而获得高压放大器上驱动电压的软件，及对显微镜所成图像进行处理的软件。
将函数发生器连接高压放大器以便获取足够的变焦透镜驱动电压，再将从高压放大器输出的波形在示波器上进行检测，将函数发生器和高压放大器通过USB接口连接到PC可以通过软件实现电压的自动扫描。将CCD相机通过USB接口与PC相连，可以实现用软件对图像进行处理。通过图像测量技术测得显微镜成像的大小，得到像物之比，进而得到待测透镜焦距，而无需知道电控变焦透镜焦距的具体值。
优选地，高压放大器输出电压范围为0-200伏。高压放大器用于驱动电控变焦透镜，以实现电控变焦透镜的焦距连续可调，无需机械运动就可实现从负焦到正焦的透镜焦距的测试。
朗奇光栅起到了分划板的作用，朗奇光栅具有均匀的条纹分布，刻线不易跑出视场，调节适应性强，而且能够大大提高测量的精度。
电脑端对显微镜所成图像进行的处理包括：基于灰度差分的清晰度评价函数得出了一张最清晰照片；利用非线性滤波器中值滤波法对获取的最清晰照片进行去噪和校正；计算经去噪和校正后的最清晰照片的大小。
基于灰度差分的清晰度评价函数为
其中：
G1＝|I(x,y)-I(x+1,y)|+|I(x,y)-I(x,y-1)|
G2＝|I(x,y)-I(x,y-1)|+|I(x,y)-I(x-1,y)|
G3＝|I(x,y)-I(x-1,y-1)|+|I(x,y)-I(x-1,y+1)|
G4＝|I(x,y)-I(x+1,y-1)|+|I(x,y)-I(x+1,y+1)|
式中：I(x,y)为聚焦位置的灰度值，I(x+1,y)、I(x,y-1)、I(x,y+1)、I(x-1,y)、I(x-1,y-1)、I(x-1,y+1)、I(x+1,y-1)、I(x+1,y+1)分别为与I(x,y)相邻的周围8个像素点的灰度值。G1、G2、G3、G4分别为I(x,y)与周围两个像素点的灰度差分绝对值之和。
本实用新型的技术效果：
本实用新型中所有器件固定，根据调节高压放大器电压来连续调节电控变焦透镜焦距的方法实现光栅的清晰显微成像，进而实现无机械运动的透镜焦距测试。本实用新型无需机械运动，相对于目前的焦距测试装置无需使用精密的机械运动机构，大大降低了装置的成本，同时也降低了装置的安装与调试调节的难度。
本实用新型采用朗奇光栅替代现有技术中三对刻线作为玻罗板，测试调节更简单，更易于将图像控制在视场之内，朗奇光栅使***调节的适应性更强，测试精度更高。
本实用新型采用数字化方法进行图像测量，大大提高了测试精度；只需在电脑端测量CCD上获取图像的大小，即可得到待测透镜的焦距，无需知道电控变焦透镜的具体的焦距。
附图说明
图1为无机械运动透镜焦距测试装置原理图；
图2为电控变焦透镜与电脑端的连接示意图；
图3为CCD获取的图像及清晰度判别图；其中图3a为获取的随电压变化的一系列照片；图3b为最清晰照片的判别；
图4为CCD获取最清晰图像光栅大小测量过程图；图4a为获取的最清晰照片；图4b为图像校正；图4c为亮条纹像素间隔。
具体实施方式
本实用新型的原理为：
如图1所示，朗奇光栅2大小为y0，经平行光管3和待测透镜4在待测透镜焦平面处成像5，朗奇光栅经待测透镜成像的大小为y1，再经电控变焦透镜6成像7，经变焦透镜成像的大小为y2，最后经显微物镜8在CCD10上成像，经显微物镜在CCD上成的像9的大小为y3。当待测透镜的焦距变化了，通过调节电控变焦透镜的驱动电压，可以在CCD上获取一清晰图像。平行光管的焦距为f0，待测透镜的焦距为f，电控变焦透镜的焦距为f1，待测透镜与电控变焦透镜的距离为L，经电控变焦透镜成像的物距和像距分别为U和V，显微物镜的放大率为m。
由放大率法的原理可知：
由凸透镜成像可知：
由显微镜成像可知：
由(1)、(2)、(3)可得：
由图1可知：
U＝L-f (5)
将(5)代入(4)中整理可得：
朗奇光栅大小y0，由光栅的规格决定，为已知量；平行光管的焦距f0，由平行光管的规格决定，为已知量；显微物镜的放大率m，由显微镜的型号决定，为已知量；获得L，m，V的方法是：用已知焦距的待测透镜进行上述操作，待CCD上获取一清晰图像时，获得该像的大小y3，此时(6)式中f，m，f0，y0，y3均为已知，用多个已知焦距的待测透镜进行上述操作，得到计算L，V的方程，计算得到L，V，且该L，V为常量。
例如，采用平行光管焦距f0为500mm，y0为0.2mm，电控变焦透镜为varioptie公司生产的Arctic316型变焦透镜，所选的CCD摄像机为大恒MER-125-30UM/UC-L系列数字摄像机，单个像素尺寸为3.75μm×3.75μm，m取10，用焦距已知为40mm和120mm的两个标准透镜标定，根据上述方法测得y3分别为33.37和200.5个像素间隔，得到L为200mm，V为50mm。
因此(6)式中L，m，V，f0，y0，均为已知，所以测得CCD中成像的y3就可得到待测透镜的焦距f。
如图2所示，搭建电控变焦透镜***和图像处理***。将函数发生器连接高压放大器以便获取足够的变焦透镜驱动电压，再将从高压放大器输出的波形在示波器上进行检测，将函数发生器和高压放大器通过USB接口连接到PC可以通过软件实现电压的自动扫描。将CCD相机通过USB接口与PC相连，可以实现用软件对图像进行处理。
为了测得待测透镜的焦距，由公式(6)可知，只要测得显微成像的光栅大小y3即可，而y3可以通过CCD相机上所拍摄最清晰照片的处理来获得。
综合图1、2所示，一种无机械运动的透镜焦距测试装置包括：LED光源1，朗奇光栅、平行光管、待测透镜、电控变焦透镜和显微镜依次设置在LED光源的出射光路上；所述电控变焦透镜上连接高压放大器，高压放大器通过函数发生器连接至电脑端，在电脑端操作函数发生器为高压放大器提供不同的驱动信号，从而驱动电控变焦透镜的焦距连续可调；高压放大器与示波器连接，在示波器上检测高压放大器输出的波形；显微镜连接至电脑端，电脑端安装有自动扫描示波器上的电压波形、从而获得高压放大器上驱动电压的软件，及对显微镜所成图像进行处理的软件。
一种无机械运动的透镜焦距测试方法，包括以下步骤：
(1)将LED光源、朗奇光栅、平行光管、待测透镜、电控变焦透镜和显微镜依次设置在测试平台上，使朗奇光栅、平行光管、待测透镜、电控变焦透镜和显微镜依次设置在LED光源的出射光路上；
(2)通过电脑端控制函数发生器，从而控制高压放大器施加在电控变焦透镜上的电压，示波器对施加在电控变焦透镜上的电压进行扫描，对电压设置0.1v的步进扫描，每步进0.1v就控制显微镜拍一张照片，从而获取一系列照片，如图3a所示；
(3)电脑端利用一种改进的基于灰度差分的清晰度评价函数，对像素I(x,y)的八领域做差值，对步骤(2)中获取的每一张照片的周围点进行判断，从而获取清晰度最高的一张照片；传统的灰度差分评价函数，只对灰度值水平和垂直方向做差。改进的灰度差分函数对像素I(x,y)的八领域做差值，增加了对周围点的判断，提高了获取清晰图像的精度。改进的基于灰度差分的清晰度评价函数为：
其中：
G1＝|I(x,y)-I(x+1,y)|+|I(x,y)-I(x,y-1)|
G2＝|I(x,y)-I(x,y-1)|+|I(x,y)-I(x-1,y)|
G3＝|I(x,y)-I(x-1,y-1)|+|I(x,y)-I(x-1,y+1)|
G4＝|I(x,y)-I(x+1,y-1)|+|I(x,y)-I(x+1,y+1)|
式中：I(x,y)为聚焦位置的灰度值，I(x+1,y)、I(x,y-1)、I(x,y+1)、I(x-1,y)、I(x-1,y-1)、I(x-1,y+1)、I(x+1,y-1)、I(x+1,y+1)分别为与I(x,y)相邻的周围8个像素点的灰度值。G1、G2、G3、G4分别为I(x,y)与周围两个像素点的灰度差分绝对值之和。
该清晰度评价函数可自动获取清晰的图像并兼具实时性,将获取的照片通过图像清晰度判别函数计算，得到最清晰的照片，如图3b所示。
(4)电脑端利用一种非线性滤波器中值滤波法，对步骤(3)中获取的清晰度最高的一张照片进行去噪处理，接着进行图像的校正处理，具体步骤为：
A、采用canny算子对照片的边缘进行检测，该方法使用两个阈值检测边缘的强和弱值；经过***多次验证，canny算子能精确提取边缘，效果能达到实验***要求。
B、找到照片边缘的直线；如图4a所示。
C、根据直线方程求出步骤B中直线的斜率，并计算出直线与垂直线间的夹角，即为倾斜角，然后根据这个夹角对照片进行旋转校正；校正后的照片如图4b所示。
(5)将校正后的照片每一列的灰度值相加，以像素点的行作为横轴，列的灰度值作为纵轴，运用软件画出的坐标图，如图4c所示；极值点即为朗奇光栅亮条纹位置，相邻亮条纹的像素间隔即为朗奇光栅的大小，用电脑端的软件对多条亮条纹进行处理，可以获得经显微物镜所成像的大小，即y3的平均值；
朗奇光栅较精密，刻线误差很小，每条亮线的中心线就是灰度值最大的。用软件对多条亮条纹进行处理，可以获得y3的平均值，从而减小了误差。
(6)将y3代入下式中即可求得待测透镜焦距f：
式中L，m，V，f0，y0，均为已知量，其中：y0为光栅大小，f0为平行光管的焦距，m为显微物镜的放大率，L为待测透镜与电控变焦透镜的距离，V为经电控变焦透镜成像的像距。
将上述方法中的待测透镜换成焦距已知为40mm和120mm的标准透镜，根据上述方法测得y3分别为33.37和200.5个像素间隔，根据上述式(6)计算得到透镜的测量值分别为40.034mm和120.12mm，由此可知，采用本实用新型所述的方法测量精度很高，分别为0.085％和0.1％。
Claims (4)
1.一种无机械运动的透镜焦距测试装置，其特征在于，包括：LED光源，朗奇光栅、平行光管、待测透镜、电控变焦透镜和显微镜依次设置在LED光源的出射光路上；所述电控变焦透镜上连接高压放大器，高压放大器通过函数发生器连接至电脑端，在电脑端操作函数发生器为高压放大器提供不同的驱动信号，从而驱动电控变焦透镜的焦距连续可调；高压放大器与示波器连接，在示波器上检测高压放大器输出的波形；显微镜连接至电脑端，电脑端安装有自动扫描示波器上的电压波形、从而获得高压放大器上驱动电压的软件，及对显微镜所成图像进行处理的软件。
2.根据权利要求1所述的一种无机械运动的透镜焦距测试装置，其特征在于，高压放大器输出电压范围为0-200伏。
3.根据权利要求1所述的一种无机械运动的透镜焦距测试装置，其特征在于，电脑端对显微镜所成图像进行的处理包括：基于灰度差分的清晰度评价函数得出了一张最清晰照片；利用非线性滤波器中值滤波法对获取的最清晰照片进行去噪和校正；计算经去噪和校正后的最清晰照片的大小。
4.根据权利要求3所述的一种无机械运动的透镜焦距测试装置，其特征在于，基于灰度差分的清晰度评价函数为
其中：
G1＝|I(x,y)-I(x+1,y)|+|I(x,y)-I(x,y-1)|
G2＝|I(x,y)-I(x,y-1)|+|I(x,y)-I(x-1,y)|
G3＝|I(x,y)-I(x-1,y-1)|+|I(x,y)-I(x-1,y+1)|
G4＝|I(x,y)-I(x+1,y-1)|+|I(x,y)-I(x+1,y+1)|
式中：I(x,y)为聚焦位置的灰度值，I(x+1,y)、I(x,y-1)、I(x,y+1)、I(x-1,y)、I(x-1,y-1)、I(x-1,y+1)、I(x+1,y-1)、I(x+1,y+1)分别为与I(x,y)相邻的周围8个像素点的灰度值，G1、G2、G3、G4分别为I(x,y)与周围两个像素点的灰度差分绝对值之和。
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|---|---|---|---|---|
| CN108828759A (zh) * | 2018-06-01 | 2018-11-16 | 北京理工大学 | 一种放大倍率持续可调的显微成像装置 |
| CN113063352A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-02 | 深圳中科飞测科技股份有限公司 | 检测方法及装置、检测设备和存储介质 |
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