專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的裝置和方法，可用于測(cè)量鏡片或鏡頭的成像質(zhì)量。
對(duì)于鏡頭與鏡片成像質(zhì)量的傳統(tǒng)檢測(cè)方法有兩種，一種是星點(diǎn)觀測(cè)方法，另一種是分辨率板觀察方法。這兩種方法比較簡(jiǎn)單，主要適合鏡頭鏡片分辨率和象質(zhì)的目視觀測(cè)，經(jīng)驗(yàn)性要求很強(qiáng)，對(duì)焦斑大小、相差象質(zhì)等則很難進(jìn)行精確測(cè)量。用于檢測(cè)焦斑的裝置可以采用傳統(tǒng)的平行光管目視測(cè)量裝置，但是使用不方便，人眼容易疲勞，測(cè)量結(jié)果也有可能因人而異。
本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的裝置及測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的方法，利用本發(fā)明的測(cè)量裝置和測(cè)量方法不僅可以精確測(cè)量各種鏡片或鏡頭的分辨率，而且可以精確測(cè)量鏡片或鏡頭的實(shí)際焦斑大小，還可以對(duì)鏡片或鏡頭的相差象質(zhì)進(jìn)行定量分析，并使得這些測(cè)量變得非常方便。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下根據(jù)本發(fā)明的一種測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的裝置，包括一個(gè)激光源，用于產(chǎn)生激光束并射向鏡片；一個(gè)光敏探測(cè)裝置，用于將所接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；一個(gè)顯微物鏡，用于將激光束經(jīng)所測(cè)鏡片聚焦后的焦斑成像在該光敏探測(cè)裝置上；一臺(tái)計(jì)算機(jī)，用于對(duì)光敏探測(cè)裝置輸出的有關(guān)聚焦焦斑成像的信號(hào)進(jìn)行處理，并通過(guò)分析該信號(hào)而檢測(cè)出鏡片的成像質(zhì)量；其中，光敏檢測(cè)裝置與計(jì)算機(jī)連接，激光源、被測(cè)鏡片、光敏檢測(cè)裝置和顯微物鏡設(shè)置在一個(gè)光路上，顯微物鏡設(shè)置在光敏檢測(cè)裝置與被測(cè)鏡片之間。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在被測(cè)鏡片與顯微物鏡之間設(shè)有一個(gè)標(biāo)尺刻畫(huà)板，該標(biāo)尺刻畫(huà)板為采用透明材料制成的平板并畫(huà)有標(biāo)尺刻畫(huà)線，該標(biāo)尺刻畫(huà)板上的標(biāo)尺刻畫(huà)線所在平面與被測(cè)鏡片的焦平面重合。
在本發(fā)明中，可以在激光源與被測(cè)鏡片之間設(shè)置一個(gè)光強(qiáng)衰減器，用于衰減激光束以達(dá)到合適的強(qiáng)度。
在本發(fā)明中，可以在顯微物鏡與光敏探測(cè)裝置之間設(shè)置一個(gè)可調(diào)整的轉(zhuǎn)接件，其長(zhǎng)度可調(diào)整，用于使激光束聚焦后的焦斑清晰地成像在光敏探測(cè)裝置上。
在本發(fā)明中，在該光敏檢測(cè)裝置中可以采用電荷耦合器件(charge-coupled device，縮寫(xiě)為CCD)。
在本發(fā)明中，可以在標(biāo)尺刻畫(huà)板附近設(shè)有用于照亮標(biāo)尺刻畫(huà)線的照明光源。
根據(jù)本發(fā)明的一種測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的方法，包括以下步驟(1)以具有適當(dāng)光強(qiáng)的激光束照射在被測(cè)鏡片上；(2)由一個(gè)光敏檢測(cè)裝置檢測(cè)經(jīng)被測(cè)鏡片聚焦后的焦斑成像，將與該焦斑相關(guān)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并送至一計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；(3)由該計(jì)算機(jī)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理及分析，檢測(cè)出鏡片的成像質(zhì)量。
在本發(fā)明中，可以在經(jīng)被測(cè)鏡片聚焦后的焦斑成像上疊加標(biāo)尺刻畫(huà)線。
在本發(fā)明中，可以采用一個(gè)顯微物鏡將所述激光束聚焦后的焦斑及標(biāo)尺刻畫(huà)線放大并清晰成像在光敏探測(cè)裝置上，以便于測(cè)量。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)整經(jīng)被測(cè)鏡頭的激光束的強(qiáng)度，使得光敏檢測(cè)裝置中的光敏器件象元所接收的光強(qiáng)是不飽和的。
利用本發(fā)明的測(cè)量裝置和測(cè)量方法不僅可以精確測(cè)量各種鏡片或鏡頭的分辨率，而且可以精確測(cè)量鏡片或鏡頭的實(shí)際焦斑大小，還可以對(duì)鏡片或鏡頭的相差象質(zhì)進(jìn)行定量分析，并使得這些測(cè)量變得非常方便。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明之測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的標(biāo)尺刻畫(huà)板之標(biāo)尺刻畫(huà)線的示意圖；圖3(a)、(b)、(c)是轉(zhuǎn)接件T的一個(gè)示例的結(jié)構(gòu)示意圖；其中圖3(a)為轉(zhuǎn)接件的前端結(jié)構(gòu)，圖3(b)為轉(zhuǎn)接件的中間鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)，圖3(c)為轉(zhuǎn)接件的后端結(jié)構(gòu)；圖4(a)為CCD光敏探測(cè)裝置所采集的被測(cè)焦斑疊加在標(biāo)尺刻畫(huà)板P后的放大圖象，圖4(b)為對(duì)應(yīng)被測(cè)焦斑經(jīng)數(shù)字圖形分析處理后的形貌圖。
在圖1中示出了一種根據(jù)本發(fā)明提出的鏡片成像質(zhì)量測(cè)量裝置，該裝置的光敏探測(cè)裝置采用CCD。本發(fā)明也可同樣用于測(cè)量鏡頭。采用根據(jù)本發(fā)明的裝置，使得測(cè)量鏡頭和鏡片的分辨率、焦斑大小、相差象質(zhì)等指標(biāo)變得非常方便。
本發(fā)明之測(cè)量裝置的實(shí)施例如圖1所示，包括可變強(qiáng)度衰減器F、標(biāo)尺刻畫(huà)板P、顯微物鏡L2、可調(diào)轉(zhuǎn)接件T、采用CCD作為光敏器件的CCD光敏探測(cè)裝置以及計(jì)算機(jī)等部件，圖1左邊所示的平行箭頭為激光束，例如準(zhǔn)直平行激光束，被測(cè)鏡片(或鏡頭)L1設(shè)置在可變強(qiáng)度衰減器F和標(biāo)尺刻畫(huà)板P之間。標(biāo)尺刻畫(huà)板P中的標(biāo)尺刻畫(huà)線寬從1nm(納米)-1mm(毫米)。
在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量方法中，平行激光束經(jīng)過(guò)強(qiáng)度衰減器F達(dá)到合適的檢測(cè)光強(qiáng)并照射到被測(cè)鏡片(或鏡頭)，被測(cè)鏡片(或鏡頭)將平行激光束聚焦在標(biāo)尺刻畫(huà)板的前表面上，采用普通白光照明光源照亮標(biāo)尺刻畫(huà)板(參見(jiàn)圖1中的被測(cè)鏡片L1與標(biāo)尺刻畫(huà)板P之間的斜箭頭)。調(diào)整可調(diào)轉(zhuǎn)接件T的長(zhǎng)度，顯微物鏡L2將標(biāo)尺刻畫(huà)板P和經(jīng)被測(cè)鏡片(或鏡頭)L1的激光束之聚焦光斑清晰成象在CCD光敏探測(cè)裝置上，再通過(guò)光電轉(zhuǎn)換和數(shù)字采樣后，再輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)輸入圖象進(jìn)行數(shù)字圖象處理，通過(guò)數(shù)字化象元比較焦斑與標(biāo)尺刻畫(huà)板上刻畫(huà)線寬的相對(duì)大小，獲得焦斑大小，通過(guò)離焦觀測(cè)圖象變化檢測(cè)鏡片(或鏡頭)的成象質(zhì)量。如果將被測(cè)鏡片(或鏡頭)L1作為CCD光敏探測(cè)裝置的顯微物鏡，通過(guò)CCD光敏探測(cè)裝置清晰成象標(biāo)尺刻畫(huà)板并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖象處理，在觀測(cè)處理結(jié)果中，能夠清晰辨認(rèn)標(biāo)尺刻畫(huà)板的最小線寬即為被測(cè)鏡片(或鏡頭)的分辨率。
由此可見(jiàn)，利用本發(fā)明的測(cè)量方法和測(cè)量裝置，不僅可以精確測(cè)量各種鏡片(或鏡頭)的分辨率，而且可以精確測(cè)量鏡片(或鏡頭)的實(shí)際焦斑大小，還可以對(duì)鏡片(或鏡頭)的相差象質(zhì)進(jìn)行定量分析。具體內(nèi)容描述如下。
在圖1的測(cè)量裝置中，可以進(jìn)行鏡頭焦斑尺寸的測(cè)量。該裝置中的標(biāo)尺刻畫(huà)板P為一個(gè)帶標(biāo)尺刻畫(huà)線的透明參考平面物體，標(biāo)尺刻畫(huà)線所在面位于靠近被檢測(cè)鏡片(或鏡頭)的平面(A面)上，如圖2所示。標(biāo)尺刻畫(huà)線的讀數(shù)精度為1nm(納米)至1mm(毫米)，在圖2的示例中，標(biāo)尺刻畫(huà)線為50微米長(zhǎng)，圖中的最小刻度單元為1微米。
CCD光敏探測(cè)裝置不帶鏡頭。由一個(gè)顯微物鏡L2被使用作為光敏探測(cè)裝置的成象鏡頭。在檢測(cè)焦斑成像時(shí)，可沿光軸方向前后調(diào)節(jié)被測(cè)鏡片的位置，將與該焦斑相關(guān)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
CCD(又名攝象頭)是一種電耦合器件，當(dāng)接受光的照射后，根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫(huà)面的電信號(hào)，經(jīng)濾波、放大處理，通過(guò)輸出端子輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號(hào)，這種視頻信號(hào)可以直接進(jìn)入監(jiān)視器、電視機(jī)和通過(guò)視頻采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)。通常CCD的光敏接收面具有2/3英寸(8.8毫米×6.6毫米)、1/2英寸(6.4毫米×4.8毫米)、1/3英寸(4.8毫米×3.6毫米)和1/4英寸(3.2毫米×2.4毫米)等，分辨率330-800線，象素?cái)?shù)為25萬(wàn)-38萬(wàn)，光強(qiáng)靈敏度為0.01-3LUX(勒克斯)，信噪比為46-60分貝。
轉(zhuǎn)接件T的長(zhǎng)度可調(diào)并可以消雜散光。該轉(zhuǎn)接件使用的實(shí)際尺寸可為160mm(毫米)，可調(diào)節(jié)范圍為150mm(毫米)至170mm(毫米)。轉(zhuǎn)接件外徑為30mm(毫米)，內(nèi)徑為15mm(毫米)，一端具有M20×0.75[直徑20mm(毫米)，螺紋間距0.75mm(毫米)]的內(nèi)螺紋，另一端具有M25.4-32[直徑25.4mm(毫米)，32扣/英寸]的外螺紋，中間有一個(gè)鎖緊環(huán)。轉(zhuǎn)接件的一個(gè)示例如圖3(a)、(b)、(c)所示。圖3(a)為轉(zhuǎn)接件的前端結(jié)構(gòu)(與顯微物鏡相連接)，圖3(b)為轉(zhuǎn)接件的中間鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)，圖3(c)為轉(zhuǎn)接件的后端結(jié)構(gòu)(與CCD相連接)。
顯微物鏡被使用作為CCD光敏探測(cè)裝置的成象鏡頭。顯微物鏡即普通顯微鏡上的物鏡，是一種用于觀察微小物體(如細(xì)胞)的放大鏡，由多個(gè)鏡片組成，與顯微鏡的目鏡相配合，根據(jù)成象放大的物象關(guān)系，成倍放大被觀測(cè)的微小物體。通常顯微物鏡有10×、20×、25×、40×、50×、60×、100×、…等。
光強(qiáng)衰減器可以采用可變密度的光強(qiáng)衰減器，它位于被測(cè)鏡片(或鏡頭)的入射端(或出射端)，用于調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度，使被測(cè)鏡片(或鏡頭)的焦斑在進(jìn)行數(shù)字采樣檢測(cè)時(shí)CCD象元所接收的強(qiáng)度不被飽和。
本發(fā)明應(yīng)用數(shù)字采樣方法，可在被測(cè)物體(如激光聚焦光斑)放大成象后，由CCD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換數(shù)字化處理，并通過(guò)顯示器進(jìn)行觀測(cè)。
本發(fā)明也可以將被測(cè)物體(如激光聚焦光斑)和參照標(biāo)尺刻畫(huà)線同時(shí)清晰成象，通過(guò)對(duì)比參照標(biāo)尺刻畫(huà)線計(jì)算出被測(cè)物體(如激光聚焦光斑)的尺寸大小。
本發(fā)明所采用的CCD裝置、可調(diào)轉(zhuǎn)接件T、顯微物鏡L2等均可采用現(xiàn)有的產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量方法，也可以采用準(zhǔn)直激光束通過(guò)被測(cè)鏡片(或鏡頭)進(jìn)行聚焦，被測(cè)鏡片(或鏡頭)的焦平面與透明參考標(biāo)尺刻畫(huà)線所在平面重合，經(jīng)顯微放大后，由CCD光敏探測(cè)裝置對(duì)聚焦光斑和標(biāo)尺刻畫(huà)線的成像進(jìn)行數(shù)字采用并同時(shí)采樣輸入計(jì)算機(jī)，調(diào)節(jié)變密度光強(qiáng)衰減器使被測(cè)鏡片(或鏡頭)的焦斑在數(shù)字采樣檢測(cè)時(shí)CCD象元所接收的強(qiáng)度不被飽和，通過(guò)圖象放大和相元能量分析，比較聚焦光斑尺寸和標(biāo)尺刻畫(huà)線對(duì)應(yīng)的相素?cái)?shù)，可以精確計(jì)算出聚焦光斑的大小。如圖4(a)、(b)所示。圖4(a)為CCD光敏探測(cè)裝置所采集的被測(cè)焦斑疊加在標(biāo)尺刻畫(huà)板P后的放大圖象，其中標(biāo)尺刻畫(huà)板P的最小刻度為10(um)微米，圖中的亮斑為被測(cè)激光聚焦焦斑。圖4(b)對(duì)應(yīng)被測(cè)焦斑經(jīng)數(shù)字圖形分析處理后的形貌圖。標(biāo)尺刻畫(huà)板的一個(gè)最小刻度對(duì)應(yīng)10相素單元，從已知的標(biāo)尺刻畫(huà)板的最小刻度10(um)微米通過(guò)計(jì)算得出一個(gè)相素單元相對(duì)大小為1(um)微米，被測(cè)焦斑的高斯曲線半寬度為6個(gè)相素單元，因此，通過(guò)比較計(jì)算得到被測(cè)焦斑的直徑大小為6(um)微米。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量方法，采用不同精度的標(biāo)尺刻畫(huà)線，用被測(cè)鏡片(或鏡頭)作為CCD光敏探測(cè)裝置的成象鏡頭以觀測(cè)標(biāo)尺刻畫(huà)線，可以進(jìn)行被測(cè)鏡片(或鏡頭)的分辨率檢測(cè)。被測(cè)鏡片(或鏡頭)所能清晰觀測(cè)到間距最小的標(biāo)尺刻畫(huà)線，就是被測(cè)鏡片(或鏡頭)的實(shí)際分辨率。例如被測(cè)鏡頭(或鏡片)所能清晰觀測(cè)到間距最小的標(biāo)尺刻畫(huà)線為1(um)微米，則被測(cè)鏡頭(或鏡片)的實(shí)際分辨率為1000線。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量方法，通過(guò)調(diào)整被測(cè)鏡片(或鏡頭)的位置可以觀測(cè)鏡頭離焦的光斑變化，可以進(jìn)行被測(cè)鏡片(或鏡頭)的相差校正檢測(cè)。不同波長(zhǎng)的最小焦斑所對(duì)應(yīng)的焦平面重合情況，說(shuō)明被測(cè)鏡片(或鏡頭)的消色差性能。不同離焦位置觀測(cè)鏡頭的離焦光斑形狀與偏心情況，說(shuō)明被測(cè)鏡片(或鏡頭)的消球差、彗差和畸變性能。
本發(fā)明可以有效地用來(lái)測(cè)量各種鏡頭、鏡片的分辨率、焦斑大小、相差象質(zhì)等光學(xué)性能。本發(fā)明的一項(xiàng)重要應(yīng)用就是用來(lái)檢測(cè)生物芯片掃描檢測(cè)系統(tǒng)的激光聚焦鏡頭和熒光會(huì)聚鏡頭的性能指標(biāo)，包括鏡頭的分辨率、焦斑大小、相差象質(zhì)等，從而保證國(guó)產(chǎn)生物芯片掃描檢測(cè)系統(tǒng)的性能，有利于生物芯片技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣和應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的裝置，包括一個(gè)激光源，用于產(chǎn)生激光束并射向鏡片；一個(gè)光敏探測(cè)裝置，用于將所接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；一個(gè)顯微物鏡，用于將激光束經(jīng)所測(cè)鏡片聚焦后的焦斑成像在該光敏探測(cè)裝置上；一臺(tái)計(jì)算機(jī)，用于對(duì)光敏探測(cè)裝置輸出的有關(guān)聚焦焦斑成像的信號(hào)進(jìn)行處理，并通過(guò)分析該信號(hào)而檢測(cè)出鏡片的成像質(zhì)量；其中，光敏檢測(cè)裝置與計(jì)算機(jī)連接，激光源、被測(cè)鏡片、光敏檢測(cè)裝置和顯微物鏡設(shè)置在一個(gè)光路上，顯微物鏡設(shè)置在光敏檢測(cè)裝置與被測(cè)鏡片之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在被測(cè)鏡片與顯微物鏡之間設(shè)有一個(gè)標(biāo)尺刻畫(huà)板，該標(biāo)尺刻畫(huà)板為采用透明材料制成的平板并畫(huà)有標(biāo)尺刻畫(huà)線，該標(biāo)尺刻畫(huà)板上的標(biāo)尺刻畫(huà)線所在平面與被測(cè)鏡片的焦平面重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，在激光源與被測(cè)鏡片之間設(shè)置一個(gè)光強(qiáng)衰減器，用于衰減激光束以達(dá)到合適的強(qiáng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，在顯微物鏡與光敏探測(cè)裝置之間設(shè)置一個(gè)可調(diào)整的轉(zhuǎn)接件，其長(zhǎng)度可調(diào)整，用于使激光束聚焦后的焦斑清晰地成像在光敏探測(cè)裝置上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，該光敏檢測(cè)裝置由電荷耦合器件組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，在標(biāo)尺刻畫(huà)板附近設(shè)有用于照亮標(biāo)尺刻畫(huà)線的照明光源。
7.一種測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的方法，包括以下步驟(1)以具有適當(dāng)光強(qiáng)的激光束照射在被測(cè)鏡片上；(2)由一個(gè)光敏檢測(cè)裝置檢測(cè)經(jīng)被測(cè)鏡片聚焦后的焦斑成像，將與該焦斑相關(guān)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并送至一臺(tái)計(jì)算機(jī)；(3)由該計(jì)算機(jī)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理及分析，檢測(cè)出鏡片的成像質(zhì)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在經(jīng)被測(cè)鏡片聚焦后的焦斑成像上疊加標(biāo)尺刻畫(huà)線。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，采用一個(gè)顯微物鏡將所述激光束聚焦后的焦斑及標(biāo)尺刻畫(huà)線放大并清晰成像在光敏探測(cè)裝置上。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，調(diào)整經(jīng)被測(cè)鏡頭的激光束的強(qiáng)度，使得光敏檢測(cè)裝置中的光敏器件象元所接收的光強(qiáng)是不飽和的。
全文摘要
一種測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的裝置及測(cè)量方法,該裝置包括:激光源;光敏探測(cè)裝置,用于將所接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào);顯微物鏡,用于將激光束經(jīng)所測(cè)鏡片聚焦后的焦斑成像在該光敏探測(cè)裝置上;計(jì)算機(jī),用于對(duì)光敏探測(cè)裝置輸出的有關(guān)聚焦焦斑成像的信號(hào)進(jìn)行處理,并通過(guò)分析該信號(hào)而檢測(cè)出鏡片的成像質(zhì)量;光敏檢測(cè)裝置與計(jì)算機(jī)連接,激光源、被測(cè)鏡片、光敏檢測(cè)裝置和顯微物鏡設(shè)置在一個(gè)光路上,顯微物鏡設(shè)置在光敏檢測(cè)裝置與被測(cè)鏡片之間。本發(fā)明可方便地測(cè)量鏡片或鏡頭成像質(zhì)量的多項(xiàng)指標(biāo)。
文檔編號(hào)G01M11/02GK1389716SQ0111857
公開(kāi)日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2001年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月1日
發(fā)明者黃國(guó)亮, 程京, 周玉祥, 馮繼宏, 吳浩揚(yáng), 劉誠(chéng)迅 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 北京博奧生物芯片有限責(zé)任公司