一种光学镜头的性能测量方法及其检测设备与流程

本发明涉及一种光学镜头的性能测量方法及其检测设备，属于光学系统中的镜头性能检测领域。

背景技术：

光学镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。光学镜头在工业领域和消费级市场都有着广泛的应用，工业领域涉及机械零件测量、塑料零件测量、玻璃及药用容器测量、电子组件测量等；消费级市场方面,高端影像设备、手机摄像头模组、无人驾驶、安防监控、vr/ar等都是重要的应用领域。作为光学与光电子行业的分支，光学透镜行业具有有着良好的发展前景。

现有技术中的镜头成像性能的检测方法是投影法，通过将标准分辨率板，投影到投影幕上成像，人工读取像分辨率标记，得到镜头成像性能参数。其对光学镜头的具体性能测试的方法是：将明暗线对的分划板在被测物后焦距内侧投影出来，投影到一定距离的投影机构上成像，人工读取投影机构上，能够肉眼分辨清楚的最细的线对是多细的线对。描述线对多细的参数称为空间频率，单位是：线对/毫米。这种方法依赖人眼主观判断，虽然也可以称为定量检测，但是主观影响非常严重，获得镜头成像性能参数的准确性、一致性、重复性不好，生产效率低，可追溯性差，不能满足镜头大量生产时的品质和效率要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于，解决上述问题，设计了本发明，克服现有技术的不足，利用先进的光感系统计算机系统能够有效的对光学镜头性能进行数字化换算，提高光学镜头性能检测的准确性，降低人的主观态度对光学镜头性能的影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明公开一种光学镜头的性能检测设备,包括：

检测台，该检测台用于安置光学镜头，使光学镜头置于投影机构所投影的光路上；

投影机构，该投影机构可发出光线通过光学镜头投影在图像采集器成像；

图像采集单元，该图像采集单元包括若干图像采集器，各图像采集器分布于以光学镜头上表面为球心的球面上并均对准光学镜头，并分别录制投影机构经光学镜头投影后的像；

距离调节机构，该距离调节机构用于安置投影机构并调节投影机构与光学镜头之间的距离；

控制运算单元，该控制运算单元控制距离调节机构，并接收各图像采集器的信号输入，以生成用于表达光学镜头性能参数的多个指定的函数曲线；

显示器单元，该显示器单元用于显示函数曲线。

该结构利用多个图像采集器对通过光学镜头采集光源的投影，通过对清晰度的判断和图像的计算处理，能够以数值的形式表达光学镜头的性能参数，进而降低人眼主观判断对光学镜头性能判断的影响，提高光学镜头测试的准确性和客观性。

进一步，还包括支架机构，该支架机构呈笼状并包括有多个沿球面经线分布的轨道架，各轨道架上分别设置可移动的图像采集器，图像采集器可沿球面的经线方向移动并始终指向光学镜头。该支架结构由于轨道架的设计，能够方便于图像采集器的位置调整，提高本结构对不同结构和不同型号镜头测量的兼容性。

进一步，支架机构还包括上连接台和下连接台，多个轨道架连接于上连接台与下连接台之间；图像采集器分为中心视场采集器和边缘视场采集器，中心视场采集器固定在上连接台下侧并竖直指向光学镜头，各边缘视场采集器分别布置于一轨道架上。该结构中，各边缘视场采集器能够独立在轨道架上移动从而方便于图像采集器位置的调整。

进一步,支架机构具有8个轨道架，各轨道架上分别设有沿球面经线方向布置的轨道槽，各轨道架上分别设有沿轨道槽移动的边缘视场采集器。

进一步,还包括基座、支架调节机构和遮光机构，支架调节机构连接于支架机构与基座之间并用于调节支架机构的位置使各图像采集器对准光学镜头；遮光机构为罩于支架结构和基座外的不透光罩。该支架调节机构能够方便于支架机构位置的调整，从而方便于使各图像采集器的位置能够进行微调，保证本结构的通用性和对不同型号镜头、不同视场位置的兼容性，此外，采用统一的基座，有利于提高统一该结构的整体性。

进一步,还包括水平位置调整机构，水平位置调整机构设置于距离调节机构与投影机构之间，并用于调整投影机构的光路方向。通过水平位置调整机构的设计，能够方便于调整投影机构光路，从而更有利于图像采集器对图像的采集效率，减少设备的调试时间。

本发明还包括了一种光学镜头的性能检测方法,包括以下步骤：

步骤1：将若干图像采集器按照希望测试的边缘视场位置分布至以该光学镜头上表面为球心的球面上，并利用图像采集器采集投影机构发出的穿过光学镜头的投影；

步骤2：调节投影机构与光学镜头之间的距离，并利用图像采集器采集光学镜头处的实时图像；

步骤3：控制运算单元接收和处理该实时图像并计算生成所需的表征性能的函数曲线一和参数一；

步骤4：均匀步进移动投影机构与光学镜头之间的距离，在每个步进位置上重复步骤3，根据移动过程全部数据计算生成所需的表征性能的的函数曲线二和参数二；

步骤5：控制运算单元根据计算的函数曲线一、参数一、函数曲线二、参数二分别于对应设定值比较并判断光学镜头的性能是否合格和/或合格等级。

以上采用以上光学镜头的检测方法的原理为：将十字形的投影机构置于光学镜头后焦距附近并将光线投影出来，图像采集器接收光线并成像，经传感器传感器传递至在控制运算单元上分析，每帧图像上的成像线条作为光学镜头的线扩展函数，该线扩展函数归一化的傅里叶变换即是调制传递函数曲线，调制传递函数曲线表征了光学镜头成像清晰度与空间频率的关系，而这种曲线关系就是定量检测的结果。随着空间频率的增大，图像清晰程度下降。如果选取某一个的空间频率值，此空间频率对应的调制传递函数值即可用来判定光学镜头的性能是否符合要求。此外，随着光源从较远逐渐接近光学镜头标准后焦位置，调制传递函数值逐渐上升，图像渐渐清晰；到达标准后焦位置附近，调制传递函数值最大；光源再移动接近光学镜头，则调制传递函数值逐渐下降，图像渐渐模糊。该现象表征了被测光学镜头基本成像性能，分析离焦曲线可以得到许多光学镜头性能参数。

进一步,在步骤1之前还具有调试步骤，该调试步骤的内容如下：

调试项a：调整图像采集器镜头后焦距，使其对平行光成像最清晰；

调试项b：调整投影机构与光学镜头之间的距离和各图像采集器位置，使投影机构发出的光能够被全部图像采集器接收到；

调试项c：阻挡外部干扰光线和调整各个图像采集器的曝光时间，使控制运算单元更易接收和处理；

调试项d：调整投影机构与光学镜头之间的距离，使位于光学镜头中心视场的图像采集器所采集的图像清晰。

进一步,在步骤3中，控制运算单元对每一帧图像的处理包括以下处理步骤：图像缓冲及预处理-图形区域识别-采样位置提取-快速傅里叶变换-归一化-参数定标-曲线拟合。

进一步,在步骤3中，函数曲线包括调制传递函数曲线、离焦曲线，参数包括焦深、场曲、像散、均匀性、后焦距。

本发明的有益效果为：

1、本装置的实现镜头成像性能的机器自动定量测量，避免人为判断造成偏差，提高了测试数据的准确性、一致性和重复性；

2、能够快速测量被测镜头多个视场、多个后焦距位置的调制传递函数，并计算获得离焦曲线、景深、场曲、像散、最佳后焦位置等被测镜头其他性能参数，全部参数都进行保存，并根据预先设定的综合判决逻辑对被测镜头性能参数进行评价判决，测试效率高，判决数据全面，可追溯性好；

3、能够满足不同被测物镜头，不同测试视场要求，不同的判决规格要求，适应性广，切换速度快。

附图说明

图1为本检测设备的主视图；

图2为本检测设备的侧视图；

图3为本检测设备的俯视图；

图4为运动控制单元对控制运算单元控制流程图；

图5为合格或合格等级判断流程图。

附图标记：1-上连接台，2-中心视场采集器，3-边缘视场采集器，4-轨道架，5-轨道槽，6-下连接台，7-基座，8-投影机构，9-距离调节机构，10-导向套，11-导向杆，12-水平位置调整机构，13-支架调节机构，14-竖托架，15-横托架，16-检测台，17-采集器座。

具体实施方式

实施例1

如附图所示，本发明公开一种光学镜头的性能检测设备,包括：

检测台16，该检测台16用于安置光学镜头，使光学镜头置于投影机构8所发出的光路上；

投影机构8，该投影机构8可在图像采集器投影为指定形状，投影机构8包括可拆卸的十字狭缝分划板，光穿过十字分划板可在图像采集器上投影呈十字形；

图像采集单元，该图像采集单元包括若干图像采集器，各图像采集器分布于以光学镜头球心的球面上并对准光学镜头，并分别录制投影机构8经光学镜头后的投影；图像采集器分为中心视场采集器2和边缘视场采集器3；

距离调节机构9，该距离调节机构9用于安置投影机构8并调节投影机构8与光学镜头之间的距离；在本实施例中，距离调节机构9为竖向的升降机构；

控制运算单元，该控制运算单元控制距离调节机构9，并接收各图像采集器的信号输入，以生成用于表达光学镜头性能参数的多个指定的函数曲线；控制运算单元包括图像数据接收单元、运算处理单元及运动控制单元，运动控制单元用于通过距离调节机构9控制投影机构8远离或靠近光学镜头；图像数据接收单元用于接收图像采集器的输入的视频信号，运算处理单元控制处理视频信号中的每一帧图像；

显示器单元，该显示器单元用于显示函数曲线；

支架机构，该支架机构呈笼状，包括8个轨道架4、上连接台1和下连接台6，8个轨道架4连接于上连接台1与下连接台6之间并沿球面的经线分布，各轨道架4上分别设有沿球面经线方向布置的轨道槽5；中心视场采集器2固定在上连接台1下侧并竖直指向光学镜头，八个边缘视场采集器3分别通过以采集器座17布置于对应的轨道架4上且沿轨道槽5移动，各并边缘视场采集器3始终指向光学镜头；

基座7，距离调节机构9固定在该基座7上，且检测台16依次通过横托架15和竖托架14固定在该基座7上；

支架调节机构13，该支架调节机构13连接于支架机构与基座7之间并用于调节支架机构的位置使各图像采集器对准光学镜头；

遮光机构，遮光机构为罩于支架结构和基座7外的不透光罩；

水平位置调整机构12，水平位置调整机构12设置于距离调节机构9与投影机构8之间，并用于调整投影机构8的光路方向。

实施例2

基于实施例1中的结构，其对光学镜头的性能检测方法，包括以下内容：

将光学镜头置于十字狭缝分划板和九个图像采集器之间的检测台16上；调整九个图像采集单元的焦距位置使图像采集器处于采集无限远物体影像的状态；在光学上，无限远物体影像是指当物距超过一定距离时，物体可以被认为从无限远光点，以平行光束形式摄入镜头，本实施例中指调整图像采集单元的镜头后焦距，使其对平行光成像最清晰，从而使测试系统工作在无限共轭状态。

各图像采集器对向球心，该球心为光学镜头的表面位置；各边缘视场采集器3与中心视场采集器2的夹角的二倍即为测试视场角度；调整边缘视场采集器3在对应轨道架4上的位置，使其位于想要测量的合适的视场角位置；打开投影机构8并点亮十字狭缝分划板；显示单元中可显示的每个图像采集器采集的实时视频；调整水平位置调整机构12和距离调节机构9使点亮后的十字狭缝分划板的十字投影像被各图像采集器接收到；微调图像采集器在轨道架4上的位置，使全部图像采集器采集的十字狭缝成像位置最佳；将遮光机构罩于支架机构和基座7外以阻挡外部干扰光线进入；观察显示机构中图像采集器采集的实时视频，调整九个图像采集器的曝光时间，使图像明暗适中；微调距离调节机构9以改变十字狭缝分划板的垂直位置即后焦位置，使中心视场采集器2中采集的图像十字狭缝影像最清晰。

图像采集器提供的每一帧的视频图像，通过控制运算单元接收，控制运算单元对进行图像缓冲和预处理、图形区域识别、采样位置提取、快速傅里叶变换、归一化、参数定标、曲线拟合等数字信号处理过程，得到在当前十字狭缝分划板垂直位置和光学镜头的调制传递函数曲线；图像和函数曲线在显示机构上实时显示。

控制运算单元通过控制距离调节机构9在一定的速度和位置下移动，同时图像采集器以一定时间间隔采集多帧视频图像，控制运算单元采集一定数量的图像后，对全部图像进行数字信号处理，获得调制传递函数随十字狭缝分划板垂直位置变化而变化的全部数据；运算处理单元对全部数据进行统计、分析，按照公式计算获得离焦曲线、景深、场曲、像散、最佳后焦位置等光学镜头的其他成像性能参数；控制运算单元根据预先设定的综合判决逻辑，对光学每个性能参数进行评价判决，获得判决结果为合格、不合格和/或合格等级；图像、曲线、成像参数数据和评价判决结果，全部在显示机构实时显示出来。

实施例3

本发明的一种光学镜头的性能检测方法，包括以下步骤：

步骤1：将若干图像采集器按照希望测试的边缘视场位置分布至以该光学镜头上表面为球心的球面上，并利用图像采集器采集投影机构发出的穿过光学镜头的投影；

步骤2：调节投影机构与光学镜头之间的距离，并利用图像采集器采集光学镜头处的实时图像；

步骤3：控制运算单元接收和处理该实时图像并计算生成所需的表征性能的函数曲线一和参数一；

步骤4：均匀步进移动投影机构与光学镜头之间的距离，在每个步进位置上重复步骤3，根据移动过程全部数据计算生成所需的表征性能的的函数曲线二和参数二；

步骤5：控制运算单元根据计算的函数曲线一、参数一、函数曲线二、参数二分别于对应设定值比较并判断光学镜头的性能是否合格和/或合格等级。

在上述步骤1之前还具有调试步骤，该调试步骤的内容如下：

调试项a：调整图像采集器镜头后焦距，使其对平行光成像最清晰；

调试项b：调整投影机构与光学镜头之间的距离和各图像采集器位置，使投影机构发出的光能够被全部图像采集器接收到；

调试项c：阻挡外部干扰光线和调整各个图像采集器的曝光时间，使控制运算单元更易接收和处理；

调试项d：调整投影机构与光学镜头之间的距离，使位于光学镜头中心视场的图像采集器所采集的图像清晰。

在上述步骤3中，控制运算单元对每一帧图像的处理包括以下处理步骤：图像缓冲及预处理-图形区域识别-采样位置提取-快速傅里叶变换-归一化-参数定标-曲线拟合。在步骤3中，函数曲线包括调制传递函数曲线、离焦曲线，参数包括焦深、场曲、像散、均匀性、后焦距

图像缓冲及预处理的目的是：将原始图像格式缓冲并变换为用于后续运算需要的多种图像数据存储格式。

图形区域识别的目的是：自动识别图像中的十字狭缝位置，用于寻找提取计算采样位置

采样位置提取的目的：是选择图像中合适的位置作为线扩展函数样本，用来后续计算调制传递函数

快速傅里叶变换的目的是将线扩展函数变换为调制传递函数；

归一化的目的是：使调制传递函数统一比较基准；

参数定标的目的是确定曲线上所在坐标系的坐标；

曲线拟合的目的是将运算获得的调制传递函数离散数据点拟合成连续曲线。

上述实施例仅仅是为了清楚的说明所做的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。