一种自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置及方法与流程

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置及方法。

背景技术：

自聚焦透镜是一种折射率分布沿径向变换的透镜，由于这个特性，使得其焦距的大小随厚度变化而呈现一定规律的变化。而实际运用中，后截距对着这种特性表现的更为直接，故而自聚焦透镜的后截距的测量具有很大的实际意义。

聚焦透镜的后截距测量技术目前还停留在采用运动部件控制相机或自聚焦透镜样品，分别将对焦面平移至与自聚焦透镜表面以及焦平面重合，其中两个平面间的相对位移就是光学后焦距的测试长度。这种方法需要多次移动机械件，会引入较大的运动误差，且测试时间较长。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置及方法，从而克服现有技术中的聚焦透镜的后截距测量需要多次移动机械件，会引入较大的运动误差，且测试时间较长的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置，其中，包括图像处理系统和两个处于同一平面上交叉设置的光路系统；

所述光路系统包括：与图像处理系统连接的图像采集系统，以及设置在图像采集系统前部并与图像采集系统处于同一条光轴上的平行光源系统；

所述图像采集系统包括从前至后依次设置的环形光源、显微物镜、以及相机；

所述图像采集系统用于获取放置于两个光路系统交汇区域内的待检测自聚焦透镜的焦点及后端面信息，所述图像处理系统用于对获取的焦点及后端面信息进行处理，并根据自聚焦透镜的焦点和后端面的位置关系计算得到自聚焦透镜的后截距。

所述的自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置，其中，所述图像采集系统和平行光源系统之间还设置有用于放置待检测自聚焦透镜的安装座，所述安装座位于所述两个光路系统交汇区域内。

所述的自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置，其中，所述显微物镜与相机之间还设置有与显微物镜和相机靶面在同一条光轴上的镜筒。

所述的自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置，其中，两个所述光路系统呈30～60°夹角交叉设置。

所述的自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置，其中，所述平行光源系统包括从前至后依次设置的激光器、星点、以及准直透镜。

所述的自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置，其中，所述准直透镜的焦距为准直透镜到星点的距离。

本发明还提供一种基于以上所述的静态测试装置的自聚焦透镜光学后截距的静态测试方法，其中，包括步骤：

将待检测自聚焦透镜放置于所述两个光路系统交汇区域内，打开平行光源系统和环形光源照射待检测自聚焦透镜，使得通过显微物镜清楚看清其形成的焦点及后端面，并将其成像到各个图像采集系统预先标定好的相机靶面上，通过相机获取对应的图像信息；

对各个相机获取的待检测自聚焦透镜的焦点及后端面信息进行处理并进行三维重构，得到自聚焦透镜的焦点和后端面的位置关系，再根据自聚焦透镜的焦点和后端面的位置关系计算得到自聚焦透镜的后截距。

所述的自聚焦透镜光学后截距的静态测试方法，其中，所述方法还包括步骤：预先使用标定板对相机进行标定。

所述的自聚焦透镜光学后截距的静态测试方法，其中，所述对各个相机获取的待检测自聚焦透镜的焦点及后端面信息进行处理并进行三维重构，得到自聚焦透镜的焦点和后端面的位置关系的步骤具体包括：

对相机获取的图像进行预处理，然后进行识别匹配，使两个相机获取的图像联系起来，根据两个相机匹配的关系得到焦点和后端面的深度信息，获得自聚焦透镜的焦点和后端面的相对位置关系。

所述的自聚焦透镜光学后截距的静态测试方法，其中，所述使两个相机获取的图像联系起来的步骤具体包括：

通过坐标转换，将不同相机跟世界坐标系之间关系联立起来，使两个相机获取的图像联系起来。

本发明的有益效果是：通过将后截距的测量问题转换为空间上不同位置之间的距离问题，可以在一次测试的情况下得到自聚焦透镜的焦点位置以及后截面位置，进而得到自聚焦透镜的后截距，从而实现静态测试目的，能够避免引入运动误差，大大缩短测试时间。

附图说明

图1为本发明自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置的结构示意图。

图2为本发明实施例的平行光源系统的内部结构示意图。

图3为本发明实施例的双光路的检测装置标定简图。

图4为双目成像的基本原理的简图。

图5为由两个相机产生的视差测出对应点的深度的原理图。

图6为本发明自聚焦透镜光学后截距的静态测试方法的流程图。

图7为本发明实施例的图像处理系统的处理流程图。

具体实施方式

本发明提供一种自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。

本发明实施例的自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置，其包括：图像处理系统和两个处于同一平面上的交叉设置的光路系统(即双光路系统)；所述光路系统包括：与图像处理系统连接的图像采集系统，以及设置在图像采集系统前部并与图像采集系统处于同一条光轴上的平行光源系统；所述图像采集系统(即采样部)包括从前至后依次设置的环形光源、显微物镜、以及相机；所述图像采集系统用于获取放置于两个光路系统交汇区域内的待检测自聚焦透镜的焦点及后端面信息，所述图像处理系统用于对获取的焦点及后端面信息进行处理，并根据自聚焦透镜的焦点和后端面的位置关系计算得到自聚焦透镜的后截距。

具体的，如图1所示，两个光路系统分别为：第一光路系统81和第二光路系统82。第一光路系统81包括：第一图像采集系统、以及设置在第一图像采集系统前部并与第一图像采集系统处于同一条光轴上的第一平行光源系统61；第一图像采集系统包括从前至后依次设置的第一环形光源51、第一显微物镜41、第一相机21。第二光路系统82包括：第二图像采集系统、以及设置在第二图像采集系统前部并与第二图像采集系统处于同一条光轴上的第二平行光源系统62；第二图像采集系统包括从前至后依次设置的第二环形光源52、第二显微物镜42、第二相机22。光束汇聚在待检测自聚焦透镜9上分别进入两个图像采集系统，第一图像采集系统和第二图像采集系统用于获取待检测自聚焦透镜9的焦点及后端面信息。

本发明通过将后截距的测量问题转换为空间上不同位置之间的距离问题，可以在一次测试的情况下得到自聚焦透镜的焦点位置以及后截面位置，进而得到自聚焦透镜的后截距，从而实现静态测试目的，能够避免引入运动误差，大大缩短测试时间。

本发明静态测试装置基于图4所述的双目成像原理，即利用不同视角的观测产生的视差来计算空间上的深度信息。其中，图4中，ow-xwywzw为检测区域的空间坐标系，ocl-xclyclzcl、ocr-xcrycrzcr分别为左右相机的镜头所在的坐标系f’为显微镜头的前工作距离，f为显微镜头到相机靶面的距离，其是统一标准160mm，ulvl、urvr分别为左右相机靶面所在的图像坐标系。

进一步的，本实施例中，环形光源放置于显微物镜前面，便于能够很好地看到自聚焦透镜样品的后表面。两个图像采集系统分别放置于与和平行光源系统同轴的待测自聚焦透镜样品后，使得相机能够获得平行光对于待测样品产生的焦点，及打开环形光源能够得到待测样品后截面的图像。在具体应用时，显微物镜的视场需要同时看到自聚焦表面的后截面与焦点，需要显微物镜的景深大于自聚焦透镜的后截距使其能观测这一范围的像。设置两个图像采样系统的焦平面均在待测样品的端面前，使得自聚焦透镜样品的后截面跟焦点都在显微物镜的景深范围内。所述图像处理系统可以采用计算机，可以实现对图像快速采集、即时处理分析得出自聚焦后截距并对相应信息进行存储。计算机可以实现多通道图像转换，在同一pc端处安装两台相机，该相机前可以根据需要拍摄的激光尺寸外装c口或是cs口的显微物镜及镜筒，相机可以为工业相机。

优选的，本实施例中，所述图像采集系统和平行光源系统之间还设置有用于放置待检测自聚焦透镜的安装座，所述安装座位于所述两个光路系统交汇区域内。具体实施时，待测自聚焦透镜样品放在两个平行光源系统交汇区域内的安装座上，并且交汇区域要大于待测样品大小，否则会由于待测样品部分区域在交汇区域之外造成不能匹配而造成较大的误差。

进一步的，如图1所示，本实施例中，所述显微物镜与相机之间还设置有与显微物镜和相机靶面在同一条光轴上的镜筒，具体为第一镜筒31和第二镜筒32。即平行光源与相应的显微物镜、镜筒、相机靶面在同一条光轴上。两个所述光路系统呈30～60°夹角交叉设置，也即两个平行光源系统呈30～60°夹角，例如可以为30°、45°、60°。所述平行光源系统包括从前至后依次设置的激光器、星点、以及准直透镜。参见图2所示，第一平行光源系统61包括从前至后依次设置的第一激光器611、第一星点612、以及第一准直透镜613。所述准直透镜可以采用消色差的双胶合透镜。所述准直透镜的焦距为准直透镜到星点的距离，即星点放置在双胶合透镜的后焦点处。

具体的，一并参见如图1、图2所示，本实施例中，第一光路系统81的各元件的光路传播顺序为第一激光器611，第一星点612，第一准直透镜613，待测自聚焦透镜9，第一环形光源51，第一显微物镜41，第一镜筒31，第一相机21。

进一步的，基于以上所述的静态测试装置，本实施例还提供一种自聚焦透镜光学后截距的静态测试方法，如图6所示，所述方法包括：

步骤s200、将待检测自聚焦透镜放置于所述两个光路系统交汇区域内，打开平行光源系统和环形光源照射待检测自聚焦透镜，使得通过显微物镜清楚看清其形成的焦点及后端面，并将其成像到各个图像采集系统预先标定好的相机靶面上，通过相机获取对应的图像信息；

步骤s300、对各个相机获取的待检测自聚焦透镜的焦点及后端面信息进行处理并进行三维重构，得到自聚焦透镜的焦点和后端面的位置关系，再根据自聚焦透镜的焦点和后端面的位置关系计算得到自聚焦透镜的后截距。

其中，所述步骤s200即记录样品的焦点与后端面信息的步骤，具体实施时，样品经过平行光源会形成焦点，在环形光源的照射下可以很方便的看清其后端面的像，利用显微物镜可以很清楚的看清形成的焦点及后端面，并将其成像到相机靶面传输到计算机里。

进一步的，本实施例中，所述步骤s300中，所述对各个相机获取的待检测自聚焦透镜的焦点及后端面信息进行处理并进行三维重构，得到自聚焦透镜的焦点和后端面的位置关系的步骤具体包括：

对相机获取的图像进行预处理，然后进行识别匹配，使两个相机获取的图像联系起来，根据两个相机匹配的关系得到焦点和后端面的深度信息，获得自聚焦透镜的焦点和后端面的相对位置关系。

具体实施时，将图像传输到计算机里，利用图像处理软件对图像进行预处理，然后进行识别匹配使得两个相机获取的图像进行联系起来，根据两个相机匹配的关系可以得到焦点和后端面的深度信息，从而获得自聚焦透镜的焦点和后端面的相对位置关系，进而得到自聚焦透镜的后截距，其原理参见图7所示。匹配过程由图像处理系统(计算机端)完成，首先对采集到的图像进行滤波的预处理，然后采用canny算子对图像进行边缘提取，得到极具特征的边缘信息，然后利用不同相机之间的极限约束将特征点的匹配点约束在另一图像上对应的极线上，再利用特征点的灰度变化规律及匹配的顺序性原则，确定不同相机获得的图像的匹配点，将这些匹配点插值联系起来得到边缘、特征区域，完成匹配过程。

进一步的，本实施例中，所述步骤s300中，所述使两个相机获取的图像联系起来的步骤具体包括：

通过坐标转换，将不同相机跟世界坐标系之间关系联立起来，使两个相机获取的图像联系起来。具体实施时，通过坐标变换的关系将不同相机跟世界坐标系之间的关系联立起来，这样就能根据两者得到图像的关系确定它们交汇区域的不同点的深度信息，得到不同点的相对位置关系。

从左相机到世界坐标系之间有：

其中，

其中，(xw、yw、zw)是世界坐标系中的一点坐标，(ul、vl)是左相机获取的图像坐标系中对应于世界坐标系指定点的坐标，d是相机的像元尺寸大小，u0、v0分别为图像横纵方向的一半，也即图像的中心位置，f为相机的焦距，rl、tl分别是世界坐标系到左相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵、α1为相机坐标系与世界坐标系之间的夹角，l’为世界坐标系原点到相机坐标系原点的距离。

从右相机到世界坐标系之间有：

其中，

同样，(xw、yw、zw)是世界坐标系中的一点坐标，(ur、vr)是右相机获取的图像坐标系中对应于世界坐标系指定点的坐标，d是相机的像元尺寸大小，u0、v0分别为图像横纵方向的一半，也即图像的中心位置，f为相机的焦距，rr、tr分别是世界坐标系到右相机坐标系的旋转矩阵和平移矩阵、α2为右相机坐标系与世界坐标系之间的夹角，l’为世界坐标系原点到相机坐标系原点的距离。

以上是相机之间的矩阵变换的理论基础，将不同相机获得的图像匹配起来，可以反向推出世界坐标系的点的坐标。这个过程使得交汇区域的物体的不同的点的位置可以以所谓“深度”表达出来，即可得到它们的三维相对位置关系。

进一步的，参见图5，图5为两个相机产生的视差测出对应点的深度的原理图，图5中，pw为待测的空间一点，ol、or分别为左右显微镜头所在坐标系的原点，两者距离为基线b，距离左右相机cl、cr的靶面距离为f，pl、pr分别为pw在左右相机成的像素点位置。对于，从两个相机的匹配点完成对应点的深度测量，由于两个相机的图像对同一点的视差不同可以得到这个点的深度信息，也即其所在空间位置，由三角形相似可以得到也即z＝bf/dw。其中，b是基线长度，也就是两个相机坐标原点距离，dw是p1到c1与p2到c2的距离之和。以上是不考虑相机畸变的情况下的理想情况，实际运用中，需要对相机进行标定，在标定过程中，使用标定板对相机进行标定，原理参见图3所示。首先，在不放置样品的情况下将标定板放置于样品所在区域，然后打开两个相机，同时收集标定板的图像，将标定板旋转不同位置、角度，相机同时收集获得的图像，共收集至少二十次的图像。然后对不同位置的图像进行匹配，由于标定板的特征区域的大小是确定的，故可以把其特征区域的大小认为是不变的，当作已知量，通过计算机对这个距离的校正，可以完成相机之间的标定。这样就可以对空间内的任一点所在位置进行测量。

进一步的，本实施例中，所述步骤s200之前还包括：

步骤s100、预先使用标定板对相机进行标定。具体实施时，在样品放置区放置特定标定板，此时不打开第一平行光源61、第二平行光源62及第一环形光源51、第二环形光源52，利用第一图像采集系统、第二图像采集系统采集标定板的图像位置信息，改变标定板的位置及角度，获得其在待测区域内不同位置、方向的图像，将数据导入计算机内，利用matlab软件对图像进行处理，根据标定板特征区域的特定大小来完成相机的标定。具体原理参见图3、图7所示。为了保证精度，标定板的精度应该高于0.001mm。

进一步的，本发明还提供了一个具体应用实施例，在具体应用实施例中，所述自聚焦透镜光学后截距的静态测试方法包括：

步骤1、搭建如图1、图2所示的自聚焦透镜光学后截距的静态测试装置，图中第一光路系统81的各元件按照各自光路传播顺序为第一激光器611，第一星点612，第一准直透镜613，待测自聚焦透镜9，第一环形光源51，第一显微物镜41，第一镜筒31，第一相机21。第二光路系统82与第一光路系统81原理相同。将待测样品放置于处于同一平面的第一平行光源系统61、第二平行光源系统62产生的平行光的交汇区。

步骤2，相机标定，对于步骤1搭建好的系统，在样品放置区(两个光路系统交汇区域)放置特定标定板，此时不打开第一平行光源61、第二平行光源62及第一环形光源51、第二环形光源52，利用第一图像采集系统、第二图像采集系统采集标定板的图像位置信息，改变标定板的位置及角度，获得其在待测区域内不同位置、方向的图像，将数据导入计算机内，利用matlab软件对图像进行处理，根据标定板特征区域的特定大小来完成相机的标定。

步骤3、样品检测，对于完成步骤1的装置搭建及步骤2的相机标定之后，即可轻松完成样品的检测，先将待测样品放置于待测区域，打开第一平行光源61、第二平行光源62及第一环形光源51、第二环形光源52，移动待测样品的所在位置使第一平行光源61、第二平行光源62产生的平行光交汇于待测样品，并且产生的焦点及待测样品的后截面都能清晰的呈现在两个相机上，对第一相机21、第二相机22采集到的图像存储传输到计算机内，对图像进行初步预处理后，利用已经标定好的双目视觉系统即可快速的测量出自聚焦透镜的后截距，这个过程无需再移动相机或待测样品，可以避免由于移动这二者带来的运动误差。

本发明双光路的自聚焦透镜后截距的静态测试系统，由两个处于同一平面交汇的两条光路组成，这两个光路各自由自身在同一条光轴上的平行光源系统、环形光源、显微物镜、镜筒、相机组成。其中，平行光源系统由激光、星点、准直透镜组成，环形光源跟显微物镜构成显微成像系统，在显微物镜的成像平面也即相机的靶面位置可以获得相应的图像信息。通过计算机对两个标定好的相机获得的图像信息进行匹配识别处理，可以得到自聚焦透镜的焦点及后截面的位置，进而可以求出自聚焦透镜的后截距，为自聚焦透镜的后截距测试提供了一种静态测试的快速测量的方法。本发明提出的双光路的自聚焦透镜后截距的静态测试方法能够在不移动相机或者待测样品的情况下，可以在一次测量的情况下测出自聚焦透镜的后截距。

综上所述，本发明针对现在测量自聚焦透镜后截距的不足，提出一种静态测试自聚焦透镜后截距的方法，该测量方法为自聚焦透镜的测试提供了一种新的方式。本发明通过将后截距的测量问题转换为空间上不同位置之间的距离问题，采用标准板的标定完成对空间位置的检测，通过机器视觉软件对后表面及焦点的判定识别，从而在静态下快速得出自聚焦透镜的后表面以及焦点位置，进而得出其后截距并对相应信息进行存储，从而实现静态测试目的，能够避免引入运动误差，大大缩短测试时间。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。