光学镜头装调及检测系统与方法与流程

本发明涉及光学装调技术领域，尤其涉及一种光学镜头装调及检测系统与方法。

背景技术

随着光电技术飞速发展，大批高端镜头出现在科研、生活等各个领域，如，手机镜头、内窥镜、高端显微物镜、监视镜等。这些镜头的生产加工与光学装调密切相关。严格控制镜片的偏心与镜面的间距，并量化镜头的成像质量成为光学镜头装调的关键。

镜片偏心差测量就是应用相关的测量方法对镜片的倾斜与径向偏移进行测量。镜面间距测量就是应用相关的测量方法对光学材料(镜片)厚度以及其空气间隔进行测量。镜片偏心与间距测量为镜头的装配公差提供精准的评估数据，并指示光学装配改进的方向。最终使镜头装调达到设计公差要求，得到良好的光学性能。波像差检测是利用干涉、波前传感器等技术对镜头成像质量进行量化评估的一种检测手段。在镜头装配系统上引入像质检测模块，实现装、检一体。在量化公差的同时，给出镜头像质检测的评估。

然而，传统的装检系统由于受到直线导轨和光栅尺测量精度的限制，测量精度不高。

技术实现要素：

鉴于此，有必要提供一种测量精度较高的光学镜头装调及检测系统与方法。

一种光学镜头装调及检测系统，包括装调设备和像质检测设备；

所述装调设备包括偏心差测量装置和镜面间距测量装置，所述像质检测设备包括波前像差检测装置；

所述偏心差测量装置包括光学测量头、气浮转台以及立柱导轨，所述光学测量头包括照明模块、投影模块、显微二级放大模块和第一探测器，所述光学测量头与所述立柱导轨滑动连接，所述光学测量头沿所述立柱导轨可上下移动，所述气浮转台用于固定待测镜头。

在一个实施例中，所述气浮转台包括气浮轴承和四维调节架，所述四维调节架用于固定所述待测镜头，并调节所述待测镜头的机械轴。

在一个实施例中，所述气浮转台的轴向和径向的异步跳动小于20nm，所述气浮转台的轴向和径向的同步跳动小于70nm。

在一个实施例中，所述气浮转台的转动编码定位精度为1”。

在一个实施例中，所述投影模块包括准直物镜和切换物镜，所述准直物镜对靶标中心发出的光进行准直；所述切换物镜包括切换转盘和多组不同焦距的物镜，所述多组物镜均设于所述切换转盘上，各组所述物镜通过所述切换转盘进行切换，以满足不同曲率的所述待测镜头的测量，所述物镜将靶标图案投影到待测镜头的曲率中心像平面。

在一个实施例中，所述镜面间距测量装置包括干涉光路系统与调焦镜头；

所述干涉光路系统包括长相干标尺光路模块与短相干测量光路模块；

所述长相干标尺光路模块包括长相干光源、第一耦合器、参考臂、标尺延迟臂和第二探测器，所述参考臂中设置有光纤后向反射器，所述标尺延迟臂中设置有可移动反射镜，所述长相干光源出射的光线经过所述第一耦合器分为两路，一路进入所述参考臂，另一路进入所述标尺延迟臂，最终两路光反射回第一耦合器形成干涉，被所述第二探测器接收；

所述短相干测量光路模块包括短相干光源、第二耦合器、第一环形器、第二环形器、测量臂、第三耦合器和平衡探测器，所述短相干光源出射的光线经过所述第二耦合器分为两路，一路经所述第一环形器进入所述标尺延迟臂，另一路经所述第二环形器进入所述测量臂，所述标尺延迟臂的反射光和所述测量臂的反射光分别经所述第一环形器和所述第二环形器的端口出射在所述第三耦合器处形成干涉信号，被所述平衡探测器接收；

所述长相干标尺光路模块和短相干测量光路模块共用置有所述可移动反射镜的所述标尺延迟臂，并通过第一波分复用器进行耦合和分束连接。

在一个实施例中，所述标尺延迟臂的轴向扫描系统包括准直物镜、角锥反射镜、平面反射镜和直线导轨；

所述准直物镜与所述平面反射镜固定在所述直线导轨的一端；

所述角锥反射镜固在所述直线导轨的滑块上，所述角锥反射镜使反射光以入射光的相同的角度出射；

光纤出射光被所述准直物镜准直后入射在所述角锥反射镜上，最后出射光照在所述平面反射镜上，并被所述平面反射镜反射后原路返回。

在一个实施例中，所述波前像差检测装置包括准直扩束镜、分束镜、扩束组件、标准反射镜和波前传感器；

光纤头出射光经所述准直扩束镜后被所述分束镜反射进入扩束组件，被扩束后的平行光束经被测镜头，以共焦的方式照射至标准反射镜，被标准反射镜反射的光束原路返回进入到所述波前传感器。

一种光学镜头装调及检测方法，包括以下步骤：

s10、导入待测镜头数据，并确定各面球心像的位置，以及初始化零点位置；

s20、装载机械镜筒，并利用千分表调节所述镜筒的机械轴与气浮转台的转轴重合；

s30、利用偏心差测量装置与镜面间距测量装置装调所述待测镜头的镜片；

s40、切换到波前检测模式，采用波前像差检测装置进行波前像差的测量；

s50、判断像质是否达到要求；

s60、若是，结束装调；

s70、若否，切换回装调模式，检测所述待测镜头的偏心及间距，分析实测数据，并将其引入光学设计软件进行优化再设计；

s80、利用重新设计的参数，重复步骤s30至s50，直到像质满足要求。

在一个实施例中，利用镜面间距测量装置装调所述待测镜头的镜片的方法包括以下步骤：

利用解包络的算法求解短相干光路信号的相干信号包络，再通过寻峰算法寻找到各镜面的信号点位置；

通过信号点位置找到对应的长相干标尺延迟光路的信号点，利用相位平移算法，求出各点的相位；

计算各镜面间干涉信号的个数a以及各面间周期内的相位差由此可得到各镜面间的光程差为：其中λ为长相干光波长；

各镜面间的厚度为：d＝old/n，n为短相干光所在各面间介质的折射率。

上述光学镜头装调及检测系统，通过设置偏心差测量装置、镜面间距测量装置和波前像差检测装置，不仅可以检测待测镜片的偏心差和待测镜片的间距和待测镜片的厚度，还可以检测整个待测镜头的波前像差，评估整个待测镜头的像质，且光学测量头包括投影模块以及显微二级放大模块，显微二级放大模块用于将经投影模块的成像进行二次放大，以提高光学镜头装调及检测系统的检测精度。

附图说明

图1为一实施方式的光学镜头装调及检测系统的光学元件结构示意图；

图2为光学镜头装调及检测系统的切换光路图；

图3为光学镜头装调及检测系统的结构示意图；

图4为偏心差测量头物镜以及波前像差测量参考镜的切换转盘；

图5为偏心差测量装置的原理示意图；

图6为镜面间距测量装置的原理光路图；

图7为镜面间距测量系统短相干与长相干采集信号图；

图8为镜面间距测量装置中标尺延迟臂的光路设计图；

图9a为偏心差测量模块的结构示意图；

图9b为利用偏心差测量模块完成双透镜胶合的示意图；

图10为一实施方式的光学镜头装调及检测方法流程图。

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晰，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一实施方式的光学镜头装调及检测系统，包括装调设备和像质检测设备。装调设备包括偏心差测量装置100和镜面间距测量装置200，像质检测设备包括波前像差检测装置300。

光学镜头装调及检测系统的偏心差测量装置100、镜面间距测量装置200和波前像差检测装置300三者相互独立，可以按用户需求选择性组装和使用。

请参考图2和图3，偏心差测量装置100包括光学测量头605、气浮转台610以及立柱导轨604。光学测量头605包括照明模块3、投影模块5、显微二级放大模块2以及第一光电探测器1。光学测量头605与立柱导轨604滑动连接，光学测量头605沿立柱导轨604可上下移动，方便光学测量头605上下移动寻找球心像。气浮转台14用于固定待测镜头。

上述光学镜头装调及检测系统，通过设置偏心差测量装置100、镜面间距测量装置200和波前像差检测装置300，不仅可以检测待测镜片的偏心差和待测镜片的间距和待测镜片的厚度，还可以检测整个待测镜头的波前像差，评估整个待测镜头的像质，且光学测量头605包括投影模块以及显微二级放大模块2，显微二级放大模块2用于将经投影模块5的成像进行二次放大，以提高光学镜头装调及检测系统的检测精度。

图2为上述光学镜头装调及检测系统的偏心差测量装置100、镜面间距测量装置200与波前像差检测装置300的切换光路。其中左边为装调设备，包括上端偏心差测量装置100，与下端的镜面间距测量装置200的调焦镜头316。右边为波前像差检测装置300。在完成镜头装调后，通过转动切换转盘(如图4所示)将标准反射镜14(参考镜)切换到光路中，进入到波前像差测量模式。标准反射镜14为参考镜。

在一个实施例中，气浮转台14包括气浮轴承和四维调节架，四维调节架用于固定待测镜头，并调节待测镜头的机械轴。

在一实施方式中，气浮转台14的轴向和径向的异步跳动小于20nm，气浮转台14的轴向和径向的同步跳动小于70nm。气浮转台14转动编码定位精度为1”。通过该种设置，偏心差测量装置的偏心测量精度可达到0.1μm。

在一实施方式中，立柱导轨604的重复定位精度有较高要求，为满足多镜面自动测量，其重复定位精度达到1μm。

在一实施方式中，照明模块3为冷光源或led照明靶标。靶标图案有两种，一是十字叉丝，二是不同空间频率分布的矩形阵列。

在一实施方式中，投影模块5包括准直物镜和切换物镜。准直物镜对靶标中心发出的光进行准直。切换物镜，将靶标图案投影到待测镜头的曲率中心像平面。切换物镜包括多组不同焦距的物镜，以满足不同曲率的待测镜头的测量，各组物镜通过切换转盘进行切换。物镜组的焦距有：+20、+50、+100、+150、+200、+400、+800、+1200、+1600、+2000、-2000、-1600、-1200、-800、-400、-200等，以供用户选择。

具体的，切换转盘的结构如图4所示，在实际应用中就不同的被测镜头，选择合适物镜组合，完成多镜片检测。

在一实施方式中，显微二级放大模块2包括显微物镜和筒镜。

偏心差测量装置的偏心测量模块软件可自动计算镜片每个面的球心像位置，所谓球心像位置即是被测镜头每个镜面的球心由该面以上的所有光学镜片成像所在的位置。

偏心测量模块软件可自动整理每个面的偏心差数据，并计算出各镜片相对于气浮转台14的转轴的偏心量。当所装镜头的光轴与气浮转台14的转轴不重合时，还可拟合出镜头的最佳光轴。

在实际测量中，需要手动输入或通过光学镜头文件导入镜片的曲率半径、厚度、间距以及玻璃的材料参数。以供偏心测量模块软件生成球心像位置数据，并指导各镜面偏心差的测量以及最佳光轴的拟合。

具体的，请参考图2，偏心差测量装置100，包括光源3011、聚光镜3012、靶标3013、分束镜4、投影模块5、气浮转台14、显微二级放大模块2和第一探测器1。待测镜6设于气浮转台14上。第一探测器1为ccd相机。

光源3011、聚光镜3012、靶标3013和分束镜4呈直线依次设置，光源3011、聚光镜3012和靶标3013位于分束镜4的入射光路所在的直线上。

投影模块5、分束镜4、显微二级放大模块2和探测器1呈直线依次设置，投影模块5、显微二级放大模块2和第一探测器1位于分束镜4的反射光路所在的直线上。

光源3011发出的光经聚光镜3012后照射在靶标3013上，靶标3013的图案被分束镜4反射后，经投影模块5后成像在待测镜的曲率中心面上，曲率中心像被待测镜反射，经投影模块5成像在分束镜4的上方，曲率中心像经显微二级放大模块2成像在第一探测器1上。

偏心差测量装置100的反射式自准直偏心测量的原理如图5所示，请同时参考图2，曲率半径为r的被测镜6偏心量为d，气浮转台7转动时，其球心以半径为d画圆。投影模块5入射的光束被被测镜6反射所成的像将以半径2d＝d画圆。曲率中心像经光学测量头最后成像在第一探测器1上，且以d’为半径画圆。β＝d'/d为整个系统的放大倍率。

请同时参考图1和图2，在一个实施方式中，镜面间距测量装置200包括干涉光路系统与调焦镜头316。请同时参考图3，干涉光路系统设于光纤光路箱601中。调焦镜头316和波前像差检测装置300集成在集中箱611中。光学镜头装调及检测系统100还包括控制箱608。

请参考图6，干涉光路系统包括长相干标尺光路模块与短相干测量光路模块。

长相干标尺光路模块包括长相干光源301、第一耦合器304、参考臂、标尺延迟臂和第二探测器302，参考臂中设置有光纤后向反射器309，标尺延迟臂中设置有可移动反射镜，长相干光源301出射的光线经过第一耦合器304分为两路，一路进入参考臂，另一路进入标尺延迟臂，最终两路光反射回第一耦合器304形成干涉，被第二探测器302接收。其结果如图5中标尺信号所示。

进一步的，进入参考臂的一路光经可调衰减器307后光纤后向反射器309反射回到第一耦合器304。另一路进入标尺延迟臂的光通过第一波分复用器306与准直镜308入射到可移动反射镜310。可移动反射镜310设于直线导轨311上。

在一个实施方式中，长相干光源301可以为分布式反馈激光器。分布式反馈激光器的中心波长为1550nm，带宽为3m。其相干长度要求大于镜面间距测量有效行程的两倍，以保证标尺信号有较好的对比度。

在一个实施方式中，第一耦合器304为2×2光纤耦合器。其中，一路50％的光进入参考臂，另一路50％的光进入标尺延迟臂。

根据光的时间相干性可知，当标尺延迟臂移动时，第二探测器304干涉光强将出现明暗变化，每个周期性的变化代表光程相差一个波长，由此通过计数光强变化，可准确标定标尺延迟臂的移动量。

短相干测量光路模块包括短相干光源321、第二耦合器320、第一环形器305、第二环形器318、测量臂、第三耦合器314和平衡探测器313，短相干光源321出射的光线经过第二耦合器320分为两路，一路经第一环形器305进入标尺延迟臂，另一路经第二环形318器进入测量臂，标尺延迟臂的反射光和测量臂的反射光分别经第一环形器305和第二环形器318的端口出射在第三耦合器314处形成干涉信号，被平衡探测器313接收。其结果如图7中测量信号所示。

进一步的，短相干光源321发出的短相干光经第二耦合器320后被分成两路分别进入述第一环形器305和第二环形器318。第一环形器305的2号端出射光经第一波分复用器306和准直镜308后，入射到可移动反射镜310，光路反射后回到第一环形器305，并从3号端出射，最后经可调衰减器315进入2x2第三耦合器314(50:50)。第二波分复用器317将第二环形器318的2号端出射光和指示光源319的出射光耦合，其中，指示光源319的波长为660nm，经调焦镜头316入射到被测镜头312中，被测镜头312中各镜面反射的短相干光经调焦镜头316和第二波分复用器317回到第二环形器318，并从3号端出射，最后经可调衰减器315进入第三耦合器314。两路光在第三耦合器314发生干涉，最后被平衡探测器313所接收。

长相干标尺光路模块和短相干测量光路模块共用置有可移动反射镜310的标尺延迟臂，并通过第一波分复用器306进行耦合和分束连接。长相干标尺光路模块和短相干测量光路模块共用标尺延迟臂，可以增加标尺测量的准确性，可将测量精度提升到0.1μm。

在一个实施方式中，短相干光源321为超辐射短相干光源。短相干光源的中心波长为1310nm，半峰宽为40～120nm。其中，半峰宽越大，相干长度越短，轴向分辨率越高。

在一个实施方式中，第二耦合器320为95：5的光纤耦合器。短相干光源发出短相干光经95：5的光纤耦合器分成两束，其中5％的光经第一环形器305进入标尺延迟臂，95％的光经第二环形器318进入测量臂。

根据短相干层析测量的原理，短相干测量光路中只有当测量臂和标尺延迟臂的光所经过的光程相近时才能产生干涉信号，从而由此标记各个反射镜面的位置。

在一个实施方式中，请参考图8，标尺延迟臂的轴向扫描系统包括准直物镜212、角锥反射镜214、平面反射镜216和直线导轨。

准直物镜212与平面反射镜216固定在直线导轨的一端。

角锥反射镜214固在直线导轨的滑块上，角锥反射镜214使反射光以入射光的相同的角度出射。

光纤出射光被准直物镜212准直后入射在角锥反射镜214上，最后出射光照在平面反射镜216上，并被平面反射镜216反射后原路返回。在实际装调过程中，需要调节平面反射镜216，使光沿原路返回，使准直物镜212的耦合效率达到最大。

标尺延迟臂的轴向扫描系统的角锥反射镜214的稳定性要求低，适合应用在运动光路中。此外，采用角锥反射镜214与平面反射镜216组成的折叠光路，减小了直线导轨的行程要求。

镜面间距测量装置200在测量过程中，需要严格控制信号采集的时序，即同时记录长相干标尺光路的信号与短相干测量光路的信号。

图2中反射镜组8用于将镜面间隔测量模块的测量光引入到被测镜头上。

在一个实施方式中，请参考图2，波前像差检测装置300包括准直扩束镜1112、分束镜12、扩束组件10、标准反射镜14和波前传感器13。光纤头1111出射光经准直扩束镜1112后被分束镜12反射进入扩束组件10。被扩束后的平行光束经被测镜头6，以共焦的方式照射至标准反射镜14。标准反射镜14反射的光束原路返回进入到波前传感器13。

具体的，被测镜头6设于气浮转台7的四维调台上。当完成定心装调后，无需再调节镜头，集成装调系统的同时，简化了测量的步聚。集成装调系统的另一个优势在于利用偏心差测量装置100自动调节镜头，减小了镜头倾斜所引入的波像差。

实际装调过程中，需要借助波前像差检测装置300，对准直扩束镜1112以及扩束组件10的出射光进行波前检测，以指导系统装调。波前像差检测的光源模块11用于提供光源。

在一个实施方式中，波前传感器13可以为哈特曼-夏克波前传感器。

在一个实施方式中，扩束组件10的共焦位置引入小孔进行空间滤光，避免系统杂光进入哈特曼-夏克波前传感器13，影响测量。

在一个实施方式中，标准反射镜14为球面标准镜。标准反射镜14即为波前像差检测装置300的参考镜。

标准反射镜14通过四维调节架固定在切换转盘上。利用小调节量的四维调节架与大行程的立柱导轨，构成五维调整，以满足不用焦距的物镜的检测。实际测量中，通过五维调节标准镜，使光路沿原路返回，然后进行测量。

波前像差检测装置300在测量过程中需要对光学系统以及标准反射镜进行波像差标定。在解波前时需要将系统波像差去除。

此外，请参考图10，还提供一实施方式的光学镜头装调及检测方法，包括以下步骤：

s10、导入待测镜头数据，并确定各面球心像的位置，以及初始化零点位置。

s20、装载机械镜筒，并利用千分表调节镜筒的机械轴与气浮转台的转轴重合。

s30、利用偏心差测量装置与镜面间距测量装置装调待测镜头的镜片。

s40、切换到波前检测模式，采用波前像差检测装置进行波前像差的测量。

s50、判断像质是否达到要求。

s60、若是，结束装调。

s70、若否，切换回装调模式，检测待测镜头的偏心及间距，分析实测数据，并将其引入光学设计软件进行优化再设计。

s80、利用重新设计的参数，重复步骤s30至s50，直到像质满足要求。

上述光学镜头装调及检测方法，不仅可以检测待测镜片的偏心差和待测镜片的间距和待测镜片的厚度，还可以检测整个待测镜头的波前像差，评估整个待测镜头的像质，且装调和检测只需要简单的切换就能进行，且测量精度高。

在一个实施方式中，利用镜面间距测量装置装调待测镜头的镜片的方法包括以下步骤：

s110、利用解包络的算法求解短相干光路信号的相干信号包络，再通过寻峰算法寻找到各镜面的信号点位置。

s120、通过信号点位置找到对应的长相干标尺延迟光路的信号点，利用相位平移算法，求出各点的相位。

s130、计算各镜面间干涉信号的个数a以及各面间周期内的相位差由此可得到各镜面间的光程差为：其中λ为长相干光波长。

s140、各镜面间的厚度为：d＝old/n，n为短相干光所在各面间介质的折射率。

请参考图9a和图9b，利用偏心差测量装置完成双透镜胶合，具体步聚如下：

s210、将底部镜片置于气浮转台的四维调节架上，用真空气泵将其吸附固定。

s220、胶合面涂胶后，放置顶部镜片。

s230、将双胶合镜的光学参数导入偏心差测量系统，并计算各面的曲率中心像位置。

光学参数指曲率半径、镜面间隔、玻璃材料等参数。

s240、选择合适的检测物镜，上下移动偏心测量头，使投影物镜聚焦在顶部透镜的上表面，并将此时直线导轨的位置设置为曲率中心像位置的参考位置(相对零位)。

s250、将测量头的聚焦点分别移至三个面的曲率中心像位置，初步测试各面在ccd上画圆的情况，并适当调节胶合透镜的倾斜，使三个面都能在ccd上完全画圆。

s260、进一步测出底部镜片和顶部镜片各面的偏心量，并拟合底部镜片和顶部镜片的光轴，分别如图9b中轴线ab和bc所示。

s270、微调顶部透镜，直至轴线ab与bc重合。

s280、紫外固化胶水，完成镜片胶合。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。