專利名稱：一種焦點(diǎn)位置檢測裝置及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)實(shí)驗(yàn)及光學(xué)加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種焦點(diǎn)位置檢測裝置及其檢測方法。
背景技術(shù)：
在光學(xué)實(shí)驗(yàn)以及光學(xué)加工中，經(jīng)常需要將某些光學(xué)元件精確調(diào)整到正光焦度的透鏡或系統(tǒng)的會聚點(diǎn)或焦點(diǎn)上，因此首先要確定透鏡或系統(tǒng)的會聚點(diǎn)或焦點(diǎn)的位置。通常確定透鏡或系統(tǒng)的會聚點(diǎn)或焦點(diǎn)位置的方法有三種，其一是根據(jù)透鏡或系統(tǒng)的焦距，焦距值通常為已知量，但仍然不知道其主平面或主點(diǎn)的位置，而把透鏡或系統(tǒng)當(dāng)成薄透鏡處理，然后用量器測出焦點(diǎn)的位置；其二是在透鏡或系統(tǒng)后面放置一個白屏或毛玻璃等，人眼觀察白屏或毛玻璃上會聚光斑的大小，當(dāng)會聚光斑最小時可認(rèn)為白屏或毛玻璃所在的位置為會聚點(diǎn)或焦點(diǎn)的位置，但由于此時光斑很亮，人眼無法判斷出會聚點(diǎn)或焦點(diǎn)的準(zhǔn)確位置；其三是利用毛玻璃與光屏檢測，依據(jù)激光的散斑現(xiàn)象，但毛玻璃與光屏沒有固定支架支撐，手持時產(chǎn)生搖晃，而無法準(zhǔn)確記錄位置。以上三種簡易的方法能都能得出會聚點(diǎn)或焦點(diǎn)的位置， 但是誤差比較大，準(zhǔn)確程度不高。對焦點(diǎn)定位精度較高的裝置和方法也很多，如奧林巴斯映像株式會社申請的專利號為2008101905 . 5的專利，其包括圖像傳感器，具有多個電荷蓄積型的光電轉(zhuǎn)換元件列，產(chǎn)生與蓄積電荷對應(yīng)的模擬信號；其有A/D轉(zhuǎn)換器等電子器件。這類光電檢測儀器雖然能達(dá)到較高的檢測精度，但操作繁雜，成本極高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡單，成本低，且準(zhǔn)確性高的焦點(diǎn)位置檢測裝置及其檢測方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為所述焦點(diǎn)位置檢測裝置，包括基座，在所述基座上設(shè)有用于產(chǎn)生激光光束的光束發(fā)生器；在所述基座上位于光束發(fā)生器的一側(cè)設(shè)有用于固定接收激光光束的透鏡或光學(xué)系統(tǒng)的透鏡夾持器；在所述基座上沿透鏡或光學(xué)系統(tǒng)光軸方向依次設(shè)有用于產(chǎn)生激光散斑效應(yīng)的毛玻璃、用于產(chǎn)生散光散斑顆粒的半透明漫反射屏及用于攝取半透明漫反射屏上的散斑顆粒的成像單元；所述毛玻璃、半透明漫反射屏及成像單元底端連接于滑塊上，所述滑塊一端連接有步進(jìn)電機(jī)，所述步進(jìn)電機(jī)連接有數(shù)據(jù)處理單元，所述滑塊在步進(jìn)電機(jī)控制下在所述基座上沿透鏡或光學(xué)系統(tǒng)光軸方向相對移動；所述成像單元與所述數(shù)據(jù)處理單元連接。所述光束發(fā)生器，由發(fā)出激光光束的激光器及對激光光束進(jìn)行擴(kuò)束的擴(kuò)束鏡構(gòu)成。所述透鏡夾持器，由支架、固定筒及壓接筒構(gòu)成，所述支架底端連接在所述基座上，所述支架頂端為筒狀固定架；在固定架的一端上具有一基準(zhǔn)平面，該基準(zhǔn)平面上設(shè)有凸起的基準(zhǔn)點(diǎn)，該基準(zhǔn)點(diǎn)與透鏡一側(cè)表面中心相接觸；所述固定筒外表面與所述固定架內(nèi)壁螺紋連接；所述壓接筒外表面與所述固定筒內(nèi)壁螺紋連接，且所述壓接筒一端壓在所述透鏡的另一側(cè)表面邊緣上。所述激光器的峰值波長為可見光。所述擴(kuò)束鏡為開普勒型擴(kuò)束鏡或加利略型擴(kuò)束鏡。所述成像單元包括成像鏡頭及光電探測器件。所述半透明漫反射屏可見光透過率大于5%。在所述基座上設(shè)有供所述滑塊移動的導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌工作距離大于10mm。所述步進(jìn)電機(jī)通過絲桿傳動控制滑塊移動。所述焦點(diǎn)位置檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟；(1)首先利用透鏡夾持器固定好透鏡，再打開激光器及擴(kuò)束鏡；(2)由數(shù)據(jù)處理單元控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)再控制滑塊在基座的導(dǎo)軌上移動，成像單元攝取半透明漫反射屏上的散斑顆粒，并將圖像信息反饋給數(shù)據(jù)處理單元；(3)在滑塊沿導(dǎo)軌移動一個行程后，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)成像單元反饋的信息直接計算出半透明漫反射屏上散斑顆粒最大的圖像的相對位置信息，再計算出透鏡正對毛玻璃一面中心到與透鏡相對的毛玻璃一側(cè)表面間的距離，毛玻璃所在位置即為透鏡或光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置；最后數(shù)據(jù)處理單元將距離參數(shù)輸出到監(jiān)視器上。所述焦點(diǎn)位置檢測裝置及其檢測方法，采用的技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)首先，所述焦點(diǎn)位置檢測裝置及其檢測方法，充分利用激光散斑的特性，通過數(shù)據(jù)處理單元計算得出透鏡或光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置，本發(fā)明不僅檢測速度快，且準(zhǔn)確性高；其次，所述焦點(diǎn)位置檢測裝置，采用的元器件，激光器、擴(kuò)束鏡、毛玻璃及半透明漫反射屏等，結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，成本低；最后，所述焦點(diǎn)位置檢測方法，利用所述焦點(diǎn)位置檢測裝置來實(shí)現(xiàn)，不僅操作簡單，且準(zhǔn)確性高，應(yīng)該廣泛，易于市場化。


下面對本發(fā)明說明書各幅附圖表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明圖1為本發(fā)明焦點(diǎn)位置檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1焦點(diǎn)位置檢測裝置的透鏡夾持器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1焦點(diǎn)位置檢測裝置的透鏡夾持器的側(cè)視圖；上述圖中的標(biāo)記均為100、光束發(fā)生器，101、激光器，102、擴(kuò)束鏡，200、透鏡夾持器，201、透鏡，202、壓接筒，203、固定筒，204、固定架，205、基準(zhǔn)點(diǎn)，300、檢測模塊，301、毛玻璃，302、半透明漫反射屏，303、成像單元，400、基座，401、滑塊，402、導(dǎo)軌，403、步進(jìn)電機(jī)，500、數(shù)據(jù)處理單元。
具體實(shí)施方式
下面對照附圖，通過對最優(yōu)實(shí)施例的描述，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。如圖1所示，所述焦點(diǎn)位置檢測裝置，包括基座400，在基座400上設(shè)有用于產(chǎn)生一定口徑激光光束的光束發(fā)生器100 ；在基座400上位于光束發(fā)生器100的一側(cè)設(shè)有用于固定接收激光光束的透鏡201或光學(xué)系統(tǒng)的透鏡夾持器200 ；在基座400上沿透鏡201或光學(xué)系統(tǒng)光軸方向依次設(shè)有用于產(chǎn)生激光散斑效應(yīng)的毛玻璃301、用于產(chǎn)生散光散斑顆粒的半透明漫反射屏302及用于攝取半透明漫反射屏302上的散斑顆粒的成像單元303 ；毛玻璃301、半透明漫反射屏302及成像單元303構(gòu)成檢測模塊300，毛玻璃301、半透明漫反射屏302及成像單元303底端連接于滑塊401上，滑塊401 —端連接有步進(jìn)電機(jī)403，步進(jìn)電機(jī)403連接有數(shù)據(jù)處理單元500，滑塊401在步進(jìn)電機(jī)403控制下在基座400上沿透鏡 201或光學(xué)系統(tǒng)光軸方向相對移動；在基座400上設(shè)有供滑塊401移動的導(dǎo)軌402 ；成像單元303與數(shù)據(jù)處理單元500連接。所述焦點(diǎn)位置檢測裝置，利用激光散斑的特性，可方便有效且準(zhǔn)確地確定透鏡201 或光學(xué)系統(tǒng)會聚點(diǎn)的位置。散斑的物理起因是當(dāng)激光照射到物體表面時，物體上每一個點(diǎn) (面元)都可視為子波源，產(chǎn)生散射光；由于激光的高相干性，則由每一個物點(diǎn)散射的光將和每一個其他物點(diǎn)散射的光發(fā)生干涉；又因?yàn)槲矬w表面各面元是隨機(jī)分布的，則由物體表面散射的各子波的振幅的位相都不相同，而且也是無規(guī)則地分布；若在透鏡201或光學(xué)系統(tǒng)的會聚點(diǎn)或焦點(diǎn)位置附近放置一塊毛玻璃301或其他表面粗糙的半透明物體，在毛玻璃 301后方再放置一個半透明漫反射屏302 ；在半透明漫反射屏302上可以方便地觀察到會聚光斑在毛玻璃301后形成的散斑結(jié)構(gòu)；根據(jù)激光散斑的理論，散斑顆粒的直徑d滿足: ―式中L為毛玻璃301與半透明漫反射屏302之間的距離；D為毛玻璃301上會聚光斑的直徑；λ為激光的中心波長；可見當(dāng)L固定不變時，散斑顆粒的直徑d與會聚光斑的直徑D成反比；即當(dāng)D最小時，d最大，即散斑顆粒最粗；當(dāng)毛玻璃301和半透明漫反射屏 302 一起沿光軸移動時，半透明漫反射屏302上散斑顆粒的直徑會發(fā)生變化，當(dāng)觀察到散斑顆粒為最粗時毛玻璃301所在的位置就是會聚點(diǎn)的位置。光束發(fā)生器100，由激光器101及擴(kuò)束鏡102構(gòu)成，由激光器101發(fā)出激光光束，激光光束再經(jīng)擴(kuò)束鏡102進(jìn)行擴(kuò)束；激光器101的峰值波長為可見光，擴(kuò)束鏡102為開普勒型擴(kuò)束鏡或加利略型擴(kuò)束鏡。透鏡夾持器200用于固定待檢測透鏡201或光學(xué)系統(tǒng)，可適應(yīng)不同直徑的透鏡201 或光學(xué)系統(tǒng)的固定需求，且令待檢測透鏡201或光學(xué)系統(tǒng)表面中心垂直于激光光束，擴(kuò)束后的激光光束由透鏡201或光學(xué)系統(tǒng)接收；如圖2所示，透鏡夾持器200，由支架、固定筒 203及壓接筒202構(gòu)成，支架底端連接在基座400上，支架頂端為筒狀固定架204 ；在固定架 204的一端上具有一基準(zhǔn)平面，該基準(zhǔn)平面上設(shè)有凸起的基準(zhǔn)點(diǎn)205，該基準(zhǔn)點(diǎn)205與透鏡 201 一側(cè)表面中心相接觸；固定筒203外表面與固定架204內(nèi)壁螺紋連接，螺紋連接方式能控制固定筒203與固定架204的徑向相對位置；壓接筒202外表面與固定筒203內(nèi)壁螺紋連接，且壓接筒202 —端壓在透鏡201的另一側(cè)表面邊緣上；如圖3所示，固定架204的基準(zhǔn)點(diǎn)205的位置位于固定架204 —端的圓心處，基準(zhǔn)點(diǎn)205與透鏡201的連接位置較小，不會對光束的正常傳播造成重大影響；透鏡夾持器200上的位移基準(zhǔn)點(diǎn)與不同透鏡201的一個表面中心的距離不變。滑塊401由數(shù)據(jù)處理單元500控制的步進(jìn)電機(jī)403驅(qū)動，在導(dǎo)軌402上沿光軸方向前后移動，同時帶動毛玻璃301、半透明漫反射屏302、成像單元303 —起移動；數(shù)據(jù)處理單元500通過對步進(jìn)電機(jī)403及進(jìn)一步對滑塊401的控制，可獲取毛玻璃301在光軸上的相對位置，步進(jìn)電機(jī)403通過絲桿傳動以控制滑塊401的移動；毛玻璃301為圓形，毛玻璃 301也可用其他表面粗糙的半透明物體替代；半透明漫反射屏302為表面較平、漫反射效率高，可見光透過率大于5%的物體。導(dǎo)軌402工作距離大于10mm，且可以支撐滑塊401運(yùn)動。成像單元303通過外圍電路和接口將攝取的圖像信息傳遞給數(shù)據(jù)處理單元500。數(shù)據(jù)處理單元500用于接收成像單元303的信號、控制步進(jìn)電機(jī)403，并計算處理焦點(diǎn)位置信息并輸出到監(jiān)視器；成像單元303包括成像鏡頭及光電探測器件，成像單元 303將成像鏡頭攝取的圖像信息傳遞給數(shù)據(jù)處理單元500 ；數(shù)據(jù)處理單元500判斷在獲取的一系列圖像信息與位移信息中與透鏡201或光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)對應(yīng)的位移信息，數(shù)據(jù)處理單元 500的基本算法為首先設(shè)置一個閾值，使獲取的圖像轉(zhuǎn)為黑白圖像，即每個像素點(diǎn)的值只能為0或1 (有光為1無光為0)；該閾值為測試周圍的環(huán)境光亮度與激光器101功率決定， 目的是為了去除雜光，保留散斑顆粒圖像信息；依次讀取圖像中各像素點(diǎn)信息，將值為1的像素點(diǎn)分類，根據(jù)各像素點(diǎn)的空間關(guān)系，把上下左右等九個相鄰像素中值為1的像素信息一起放入同一個集合；去除各集合中重復(fù)的像素信息；統(tǒng)計集合的像素數(shù)量；以集合的像素數(shù)量除以集合個數(shù)，并以該值代表散斑顆粒的直徑；查找各圖像中所計算的斑顆粒的直徑的最大值所對應(yīng)的位移信息；并在顯示屏上進(jìn)行顯示。所述焦點(diǎn)位置檢測方法，利用所述焦點(diǎn)位置檢測裝置來實(shí)現(xiàn)，其特征在于包括以下步驟；(1)首先利用透鏡夾持器200固定好透鏡201，再打開激光器101及擴(kuò)束鏡102 ；(2)由數(shù)據(jù)處理單元500控制步進(jìn)電機(jī)403，步進(jìn)電機(jī)403再控制滑塊401在基座 400的導(dǎo)軌402上移動，成像單元303對半透明漫反射屏302上的散斑顆粒進(jìn)行掃描，并將掃描信息反饋給數(shù)據(jù)處理單元500 ；(3)在滑塊401沿導(dǎo)軌402移動一個行程后，數(shù)據(jù)處理單元500根據(jù)成像單元303 反饋的信息直接計算出半透明漫反射屏302上散斑顆粒最大的圖像的相對位置信息，再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)403信號計算出透鏡201正對毛玻璃301 —面中心到與透鏡201相對的毛玻璃 301 一側(cè)表面間的距離，毛玻璃301所在位置即為透鏡201或光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置；最后數(shù)據(jù)處理單元500將距離參數(shù)輸出到監(jiān)視器上。上面對本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制， 只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種焦點(diǎn)位置檢測裝置，其特征在于包括基座G00)，在所述基座(400)上設(shè)有用于產(chǎn)生激光光束的光束發(fā)生器(100)；在所述基座(400)上位于光束發(fā)生器(100)的一側(cè)設(shè)有用于固定接收激光光束的透鏡 (201)或光學(xué)系統(tǒng)的透鏡夾持器O00)；在所述基座(400)上沿透鏡(201)或光學(xué)系統(tǒng)光軸方向依次設(shè)有用于產(chǎn)生激光散斑效應(yīng)的毛玻璃(301)、用于產(chǎn)生散光散斑顆粒的半透明漫反射屏(302)及用于攝取半透明漫反射屏(302)上的散斑顆粒的成像單元(303)；所述毛玻璃(301)、半透明漫反射屏(302)及成像單元(303)底端連接于滑塊001) 上，所述滑塊(401) —端連接有步進(jìn)電機(jī)003)，所述步進(jìn)電機(jī)(40 連接有數(shù)據(jù)處理單元 (500)，所述滑塊(401)在步進(jìn)電機(jī)(40 控制下在所述基座(400)上沿透鏡(201)或光學(xué)系統(tǒng)光軸方向相對移動；所述成像單元(30 與所述數(shù)據(jù)處理單元(500)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的焦點(diǎn)位置檢測裝置，其特征在于所述光束發(fā)生器(100)，由發(fā)出激光光束的激光器(101)及對激光光束進(jìn)行擴(kuò)束的擴(kuò)束鏡(10 構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的焦點(diǎn)位置檢測裝置，其特征在于所述透鏡夾持器 000)，由支架、固定筒(20 及壓接筒(20 構(gòu)成，所述支架底端連接在所述基座G00) 上，所述支架頂端為筒狀固定架O04)；在固定架Q04)的一端上具有一基準(zhǔn)平面，該基準(zhǔn)平面上設(shè)有凸起的基準(zhǔn)點(diǎn)005)，該基準(zhǔn)點(diǎn)(20 與透鏡(201) —側(cè)表面中心相接觸；所述固定筒(20 外表面與所述固定架O04)內(nèi)壁螺紋連接；所述壓接筒(20 外表面與所述固定筒O03)內(nèi)壁螺紋連接，且所述壓接筒(20 —端壓在所述透鏡O01)的另一側(cè)表面邊緣上。
4.按照權(quán)利要求3所述的焦點(diǎn)位置檢測裝置，其特征在于所述激光器(101)的峰值波長為可見光。
5.按照權(quán)利要求4所述的焦點(diǎn)位置檢測裝置，其特征在于所述擴(kuò)束鏡(102)為開普勒型擴(kuò)束鏡或加利略型擴(kuò)束鏡。
6.按照權(quán)利要求5所述的焦點(diǎn)位置檢測裝置，其特征在于所述成像單元(303)包括成像鏡頭及光電探測器件。
7.按照權(quán)利要求6所述的焦點(diǎn)位置檢測裝置，其特征在于所述半透明漫反射屏(302) 可見光透過率大于5%。
8.按照權(quán)利要求7所述的焦點(diǎn)位置檢測裝置，其特征在于在所述基座(400)上設(shè)有供所述滑塊(401)移動的導(dǎo)軌002)，所述導(dǎo)軌(402)工作距離大于10mm。
9.按照權(quán)利要求8所述的焦點(diǎn)位置檢測裝置，其特征在于所述步進(jìn)電機(jī)(403)通過絲桿傳動控制滑塊(401)移動。
10.一種權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的焦點(diǎn)位置檢測裝置的檢測方法，其特征在于包括以下步驟；(1)首先利用透鏡夾持器固定好透鏡，再打開激光器及擴(kuò)束鏡；(2)由數(shù)據(jù)處理單元控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)再控制滑塊在基座的導(dǎo)軌上移動，成像單元攝取半透明漫反射屏上的散斑顆粒，并將圖像信息反饋給數(shù)據(jù)處理單元；(3)在滑塊沿導(dǎo)軌移動一個行程后，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)成像單元反饋的信息直接計算出半透明漫反射屏上散斑顆粒最大的圖像的相對位置信息，再計算出透鏡正對毛玻璃一面中心到與透鏡相對的毛玻璃一側(cè)表面間的距離，毛玻璃所在位置即為透鏡或光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置；最后數(shù)據(jù)處理單元將距離參數(shù)輸出到監(jiān)視器上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種焦點(diǎn)位置檢測裝置及其檢測方法，所述檢測裝置，包括基座，在基座上設(shè)有光束發(fā)生器；在基座上位于光束發(fā)生器的一側(cè)設(shè)有透鏡夾持器；在基座上沿透鏡或光學(xué)系統(tǒng)光軸方向依次設(shè)有用于產(chǎn)生激光散斑效應(yīng)的毛玻璃、用于產(chǎn)生散光散斑顆粒的半透明漫反射屏及用于攝取半透明漫反射屏上的散斑顆粒的成像單元；毛玻璃、半透明漫反射屏及成像單元底端連接于滑塊上，滑塊一端連接有步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)連接有數(shù)據(jù)處理單元，滑塊在步進(jìn)電機(jī)控制下在所述基座上沿透鏡或光學(xué)系統(tǒng)光軸方向相對移動；成像單元與所述數(shù)據(jù)處理單元連接；所述檢測方法，分為三步驟。本發(fā)明不僅檢測速度快，且準(zhǔn)確性高，成本低。
文檔編號H04N5/232GK102540638SQ20121000145
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者向艷, 胡挺, 董戴, 藍(lán)景恒 申請人:中航華東光電有限公司