[发明专利]一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量工程的技术领域，具体涉及一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测 量方法。

背景技术

随着光学工程技术的快速发展，对光学系统的精度要求也越来越高，其中对各种镜头系 统倍率的标定也显得格外重要。而双远心镜头作为光学系统中常用的镜头系统之一，在光学 成像中具有重要的意义，双远心镜头理论上可以在很长距离处保持一个固定放大倍数，并且 具有高分辨率，误差扭曲小等特点。常常运用于3D形貌检测，管道检测等领域中。目前测 量镜头倍率通常是通过针尖标定，也有通过线性模拟适应方法的，但是目前的测量标定方法 都有些复杂而且精度还有待提高。而通过莫尔干涉条纹的方法来标定双远心镜头系统的倍 率，具有高精度，大测量范围，无损伤等特点，通过一系列相位提取及相位解析方式后，最 后测定镜头系统的倍率精度可以达到0.1％，对于双远心镜头系统倍率的标定具有重要意义。

美国专利US4741617(A)在1988年公布了一种光学设备用于测量镜头实际倍率，该专利 设备中包括一个含有物镜的光学系统，通过一个十字线标记来标定被测镜头的倍率大小。同 时，中国专利CN103217275(A)在2013年公布了一种利用单个光栅来测量显微镜头倍率的方 法，通过被测显微镜头，单个已知周期光栅成像于屏幕上，通过相位算法计算出实际获取光 栅的周期大小，然后通过对比测量出显微镜头的实际倍率。但是上述方法中，一方面花费较 大，另一方面系统复杂且标定精度有待提高。

由于国内外目前在对镜头倍率的标定中，方法不多而且测量成本高，精度低。寻找一种 系统简单，精度高，成本低的镜头倍率的标定手段，对于现在的光学工程应用，特别是光学 成像系统中有很关键的作用。在光学成像系统中，双远心镜头系统起着十分重要的作用，要 实现原理简单，成本较低，工程化容易的高精度双远心镜头倍率方法仍然是目前国内外需要 继续突破的难题。

发明内容

为了解决上述难题，本发明设计了所述的一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方 法，可以实现高精度测量，精度可以达到0.1％。

本发明采用的技术方案为：一种基于莫尔干涉的双远心镜头倍率测量方法，在镜头倍率 测量过程中，光源通过光阑和准直镜后，入射到光栅G1上，平面波经过被测双远心镜头， 然后成像到光栅G2位置，两组光栅标记经过空间成像后重叠在一起形成莫尔条纹分布，最 后被CCD采集系统捕获传送到计算机进行图像处理，通过分析CCD所采集的莫尔条纹确定 当前莫尔条纹的周期大小，从而反演得到被测双远心镜头的倍率大小。

其中，光栅G1经过一个双远心系统后，通过调节光栅G2的沿光轴方向的位置，在理 想光学系统前提下光栅G1可以成像与光栅G2完全重合。

其中，所用的两个光栅G1和G2均是分为上下两个部分，并且拥有不同的周期。光栅 G1的上半部分周期大小为p₁，下半部分周期大小为p₂，照明光透过光栅G1后，再经过被 测双远心镜头(假设被测双远心镜头倍率为ρ)，然后成像到光栅G2位置，光栅G2的上半 部分周期大小为p₂，下半部分周期大小为p₁，光栅G2可通过光栅G1倒置得到。

其中，利用双远心镜头的倍率的不同大小，通过光栅G1和光栅G2形成的莫尔条纹， 通过莫尔条纹的放大作用，检测计算出莫尔条纹的周期大小即可反推双远心镜头系统实际倍 率大小，获得较高的精度。

其中，利用双远心镜头的倍率的不同大小，通过光栅G1和光栅G2形成的莫尔条纹， 通过莫尔条纹的放大作用，检测计算出莫尔条纹的周期大小即可反推双远心镜头系统实际倍 率大小，获得较高的精度。

其中，莫尔条纹具有周期放大的功效，更容易测量出双远心镜头倍率的实际大小，但为 了满足高精度检测的要求，仍需要精确的相位解析精度，在莫尔条纹频域分析过程中，需要 从数字信号处理的角度分析各种误差的原因以及相应的补偿措施。

其中，进行莫尔条纹周期测量过程中，误差波动都在10nm以内，通过一系列相位提取 及相位解析方式后，最后测定镜头系统的倍率精度可以达到0.1％。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明通过光栅G1和光栅G2形成最后的莫尔条纹，经过一系列的反推算法得 到最后的倍率测量结构，相比目前有的测量方法，该测量系统原理简单，系统结构也相对简 单，具有很强的实用性；