一種基于莫爾干涉的雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測量工程的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于莫爾干涉的雙遠(yuǎn)心鏡頭 倍率測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光學(xué)工程技術(shù)的快速發(fā)展，對光學(xué)系統(tǒng)的精度要求也越來越高，其中對各種 鏡頭系統(tǒng)倍率的標(biāo)定也顯得格外重要。而雙遠(yuǎn)心鏡頭作為光學(xué)系統(tǒng)中常用的鏡頭系統(tǒng)之 一，在光學(xué)成像中具有重要的意義，雙遠(yuǎn)心鏡頭理論上可以在很長距離處保持一個固定放 大倍數(shù)，并且具有高分辨率，誤差扭曲小等特點。常常運用于3D形貌檢測，管道檢測等領(lǐng)域 中。目前測量鏡頭倍率通常是通過針尖標(biāo)定，也有通過線性模擬適應(yīng)方法的，但是目前的測 量標(biāo)定方法都有些復(fù)雜而且精度還有待提高。而通過莫爾干涉條紋的方法來標(biāo)定雙遠(yuǎn)心鏡 頭系統(tǒng)的倍率，具有高精度，大測量范圍，無損傷等特點，通過一系列相位提取及相位解析 方式后，最后測定鏡頭系統(tǒng)的倍率精度可以達(dá)到〇. 1 %，對于雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)倍率的標(biāo)定具 有重要意義。
[0003] 美國專利US4741617(A)在1988年公布了一種光學(xué)設(shè)備用于測量鏡頭實際倍率，該 專利設(shè)備中包括一個含有物鏡的光學(xué)系統(tǒng)，通過一個十字線標(biāo)記來標(biāo)定被測鏡頭的倍率大 小。同時，中國專利CN103217275(A)在2013年公布了一種利用單個光柵來測量顯微鏡頭倍 率的方法，通過被測顯微鏡頭，單個已知周期光柵成像于屏幕上，通過相位算法計算出實際 獲取光柵的周期大小，然后通過對比測量出顯微鏡頭的實際倍率。但是上述方法中，一方面 花費較大，另一方面系統(tǒng)復(fù)雜且標(biāo)定精度有待提高。
[0004] 由于國內(nèi)外目前在對鏡頭倍率的標(biāo)定中，方法不多而且測量成本高，精度低。尋找 一種系統(tǒng)簡單，精度高，成本低的鏡頭倍率的標(biāo)定手段，對于現(xiàn)在的光學(xué)工程應(yīng)用，特別是 光學(xué)成像系統(tǒng)中有很關(guān)鍵的作用。在光學(xué)成像系統(tǒng)中，雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)起著十分重要的作 用，要實現(xiàn)原理簡單，成本較低，工程化容易的高精度雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率方法仍然是目前國內(nèi) 外需要繼續(xù)突破的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述難題，本發(fā)明設(shè)計了所述的一種基于莫爾干涉的雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率測 量方法，可以實現(xiàn)高精度測量，精度可以達(dá)到0.1 %。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于莫爾干涉的雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率測量方法，在鏡 頭倍率測量過程中，光源通過光闌和準(zhǔn)直鏡后，入射到光柵G1上，平面波經(jīng)過被測雙遠(yuǎn)心鏡 頭，然后成像到光柵G2位置，兩組光柵標(biāo)記經(jīng)過空間成像后重疊在一起形成莫爾條紋分布， 最后被CCD采集系統(tǒng)捕獲傳送到計算機進行圖像處理，通過分析CCD所采集的莫爾條紋確定 當(dāng)前莫爾條紋的周期大小，從而反演得到被測雙遠(yuǎn)心鏡頭的倍率大小。
[0007] 其中，光柵G1經(jīng)過一個雙遠(yuǎn)心系統(tǒng)后，通過調(diào)節(jié)光柵G2的沿光軸方向的位置，在理 想光學(xué)系統(tǒng)前提下光柵G1可以成像與光柵G2完全重合。
[0008] 其中，所用的兩個光柵G1和G2均是分為上下兩個部分，并且擁有不同的周期。光柵 G1的上半部分周期大小為?1，下半部分周期大小為?2，照明光透過光柵G1后，再經(jīng)過被測雙 遠(yuǎn)心鏡頭(假設(shè)被測雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率為P)，然后成像到光柵G2位置，光柵G2的上半部分周期 大小為p 2，下半部分周期大小為P1，光柵G2可通過光柵G1倒置得到。
[0009] 其中，利用雙遠(yuǎn)心鏡頭的倍率的不同大小，通過光柵G1和光柵G2形成的莫爾條紋， 通過莫爾條紋的放大作用，檢測計算出莫爾條紋的周期大小即可反推雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)實際 倍率大小，獲得較高的精度。
[0010] 其中，利用雙遠(yuǎn)心鏡頭的倍率的不同大小，通過光柵G1和光柵G2形成的莫爾條紋， 通過莫爾條紋的放大作用，檢測計算出莫爾條紋的周期大小即可反推雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)實際 倍率大小，獲得較高的精度。
[0011] 其中，莫爾條紋具有周期放大的功效，更容易測量出雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率的實際大小， 但為了滿足高精度檢測的要求，仍需要精確的相位解析精度，在莫爾條紋頻域分析過程中， 需要從數(shù)字信號處理的角度分析各種誤差的原因以及相應(yīng)的補償措施。
[0012] 其中，進行莫爾條紋周期測量過程中，誤差波動都在10nm以內(nèi)，通過一系列相位提 取及相位解析方式后，最后測定鏡頭系統(tǒng)的倍率精度可以達(dá)到〇. 1 %。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0014] (1)、本發(fā)明通過光柵G1和光柵G2形成最后的莫爾條紋，經(jīng)過一系列的反推算法得 到最后的倍率測量結(jié)構(gòu)，相比目前有的測量方法，該測量系統(tǒng)原理簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也相對簡 單，具有很強的實用性；
[0015] ⑵、本發(fā)明中，對雙遠(yuǎn)心鏡頭系統(tǒng)倍率的測量精度可以達(dá)到〇 . 1 %，相比其他方式 擁有更高的測試精度，而且能實現(xiàn)大范圍測量。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明一種基于莫爾干涉的雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率測量方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖2為測量系統(tǒng)所需的兩個光柵結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖（a)為光柵標(biāo)記G1;圖（b)為 光柵標(biāo)記G2;
[0018] 圖3為被測雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率在不同數(shù)值時仿真得到的莫爾條紋圖像，其中，圖（a) 為雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率是0.990時的莫爾條紋圖像，圖（b)為雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率是0.980時的莫爾 條紋圖像，圖（c)為雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率是0.950時的莫爾條紋圖像，圖（d)為雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率是 0.920時的莫爾條紋圖像。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖以及理論推導(dǎo)對本發(fā)明【具體實施方式】進行詳細(xì)說明。
[0020] 該基于莫爾條紋周期分析的雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率測量方法，測量中通過檢測上下兩組 莫爾條紋的周期大小，可以擁有很高的測量靈敏性和檢測精度。
[0021] 首先采用633nm的照明光，通過擴束準(zhǔn)直鏡處理后，再透過光闌，然后將633nm的照 明光投射到光柵G1上。
[0022]光柵G1的上半部分周期大小為？1，下半部分周期大小為?2，照明光透過光柵G1后， 再經(jīng)過被測雙遠(yuǎn)心鏡頭(雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率為P)，然后成像到光柵G2位置，光柵G2的上半部分 周期大小為P2,下半部分周期大小為P1。這樣如果理想光學(xué)系統(tǒng)前提下就可以與檢測光柵G2 完美重合，兩組光柵標(biāo)記重疊在一起形成莫爾條紋分布。
[0023]正是由于雙遠(yuǎn)心鏡頭倍率P的影響，透過鏡頭后成像到光柵G2時，光柵G1的等效周 期相當(dāng)于口1'=0口^'2=0口2，通過〇：〇成像鏡頭可以得到最后形成的莫爾條紋，根據(jù)莫爾干 涉理論，可以得出兩組光柵標(biāo)記像重合時形成的莫爾條紋上半部分周期表達(dá)如式（1