雙目顯微系統(tǒng)光路偏轉(zhuǎn)與平行性檢測(cè)

徐 鹍，韓 森，張齊元，謝 翔，張中華，劉文濱，聶英華，吳泉英

（1.蘇州慧利儀器有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州215123；2.蘇州科技學(xué)院，江蘇 蘇州215000；3.上海理工大學(xué)，上海200093；4.六六視覺科技股份有限公司，江蘇 蘇州215000；5.黑龍江省計(jì)量檢定測(cè)試院，黑龍江 哈爾濱150036）

引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)之高速發(fā)展，雙目系統(tǒng)已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，從顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡到機(jī)器視覺、人工智能，高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)雙目系統(tǒng)層出不窮，這同時(shí)也給系統(tǒng)檢測(cè)提出了新的挑戰(zhàn)。如何高效地檢測(cè)系統(tǒng)，評(píng)估其整體性能的優(yōu)略，在研發(fā)和生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。好的檢測(cè)方法在檢測(cè)出性能指標(biāo)的同時(shí)，還可以通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析，逆向優(yōu)化雙目系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝配［1］，找到提高系統(tǒng)性能的突破口。現(xiàn)今的雙目系統(tǒng)光學(xué)檢測(cè)方法按檢測(cè)光束寬度可以分為寬光束檢測(cè)和細(xì)光束檢測(cè)。寬光束檢測(cè)主要是檢測(cè)系統(tǒng)的波像差及光學(xué)元件的面形誤差［2－3］，測(cè)試精度高，信息量大，內(nèi)容豐富全面，可以反映大空間尺度內(nèi)系統(tǒng)的綜合屬性。但其檢測(cè)儀器價(jià)格比較昂貴，檢測(cè)過程較復(fù)雜，而且不易找到系統(tǒng)病癥之部位。細(xì)光束檢測(cè)主要是檢測(cè)系統(tǒng)的光路特性。文中通過使激光束從待測(cè)系統(tǒng)的入射端入射，觀測(cè)研究反射光線和出射光線的位置和方向，檢測(cè)了待測(cè)系統(tǒng)的光路偏轉(zhuǎn)和平行性，分析了造成光路偏轉(zhuǎn)和不平行的原因。

1 系統(tǒng)組成

待測(cè)雙目系統(tǒng)如圖1所示，文中主要檢測(cè)了虛線框中的部分系統(tǒng)。其中各字母不僅僅表示光學(xué)元件，而是代表由光學(xué)元件和其機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的整體元件。

圖1 待測(cè)系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of system under test

2 檢測(cè)方法

2.1 總體檢測(cè)方案

將待測(cè)雙目系統(tǒng)拆分成元件，先檢測(cè)各元件，然后逐步組合元件，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由部分到整體，層層檢測(cè)光路偏轉(zhuǎn)和平行性。

2.2 系統(tǒng)光路偏轉(zhuǎn)檢測(cè)方法

圖2所示為激光束從待測(cè)系統(tǒng)入射端面中心O1垂直入射，理想情況下光束應(yīng)從出射端面中心O2垂直射出，但實(shí)際情況光束會(huì)從O3射出，O3與O2點(diǎn)間的距離為d，實(shí)際出射光線O3P3和理想出射光線O2P2的夾角為θ，定義d為光路偏轉(zhuǎn)距離，θ為光路偏轉(zhuǎn)角度，文中采用測(cè)量d和θ的方法來檢測(cè)光路偏轉(zhuǎn)。

圖2 光路偏轉(zhuǎn)檢測(cè)原理圖Fig.2 Principle diagram of optical path deflection measurement

2.3 系統(tǒng)平行性檢測(cè)方法

兩入射端面平行性檢測(cè)。如圖3所示，理想系統(tǒng)兩光路入射端面平行，實(shí)際系統(tǒng)由于安裝誤差，兩入射端面將存在一夾角φ，文中采用測(cè)量角φ的方法來檢測(cè)兩入射端面平行性。

圖3 系統(tǒng)入射端面夾角示意圖Fig.3 Schematic of angle between incident faces of system

兩光路平行性檢測(cè)。理想雙目系統(tǒng)兩光路完全對(duì)稱，2束平行光分別從左右光路入射端面中心垂直入射，光束出射后仍然平行。實(shí)際系統(tǒng)2束光出射后成一夾角α，文中采用測(cè)量角α的方法來檢測(cè)兩光路平行性，如圖4所示。

圖4 兩光路出射光線平行性測(cè)量原理圖Fig.4 Principle diagram of emergent light parallelism detection of double-light paths

3 實(shí)驗(yàn)裝置和檢測(cè)結(jié)果

3.1 光路中心點(diǎn)基準(zhǔn)建立

采用被檢元件端面安裝中心小孔光闌的方法建立光路中心點(diǎn)基準(zhǔn)。安裝于元件內(nèi)側(cè)或外測(cè)，如圖5和圖6。裝于內(nèi)測(cè)時(shí)只有中空部分的加工誤差被包含在內(nèi)，裝于外側(cè)時(shí)整體的加工誤差均含在內(nèi)。

圖5 內(nèi)嵌法小孔光闌安裝示意圖Fig.5 Schematic of embedded installation of pinhole diaphragm

圖6 外套法小孔光闌安裝法示意圖Fig.6 Schematic of wrapped installation of pinhole diaphragm

如圖7，設(shè)M點(diǎn)為光闌安裝于內(nèi)側(cè)時(shí)確定的光路中心，N點(diǎn)為安裝于外側(cè)時(shí)確定的光路中心，用M和N間的距離Δr來描述2種中心點(diǎn)基準(zhǔn)建立方法的差異。易測(cè)出值Δr，將待測(cè)系統(tǒng)安置在四維調(diào)整臺(tái)上，先用內(nèi)嵌法安裝光闌，讓激光束從光闌小孔垂直入射，保持光束不動(dòng)，將光闌取下后用外套法重新安裝光闌，此時(shí)光束不能從小孔中心射出，調(diào)節(jié)四維調(diào)整臺(tái)的水平和豎直位移量，使激光束重新從小孔射出，并記下水平位移調(diào)整量Δa和豎直位移調(diào)整量

圖7 2種中心點(diǎn)基準(zhǔn)建立方法之差異Fig.7 Difference between two methods of centre point datum set up

如圖8所示，圖中省略了機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，直接畫出各光學(xué)元件，實(shí)際檢測(cè)中是在機(jī)械鏡筒兩端安裝光闌，待測(cè)系統(tǒng)可以安裝光闌的位置有B的入射端面，B的出射端面，C的入射端面，C的出射端面，E的出射端面。有些端面由于端面結(jié)構(gòu)，只能用內(nèi)嵌法安裝，有些端面只能用外套法安裝，還有的兩法均可，具體情況見表1，“內(nèi)（外）”表示該端面既可用內(nèi)嵌法亦可用外套法安裝光闌，檢測(cè)中選用了內(nèi)嵌法安裝，“內(nèi)”表示該端面只能用內(nèi)嵌法安裝光闌，“外”表示該端面只能用外套法安裝光闌。經(jīng)測(cè)定B入射端面和C出射端面的Δr值約為0.1mm。

圖8 系統(tǒng)端面示意圖Fig.8 Schematic diagram of faces of system

表1 系統(tǒng)各入射端面之光闌安裝Table 1 Diaphragm installation of incident faces of system

3.2 系統(tǒng)光路偏轉(zhuǎn)檢測(cè)

圖9 B偏轉(zhuǎn)距離檢測(cè)示意圖Fig.9 Schematic of deflection distance detection of B

圖10 B偏轉(zhuǎn)距離檢測(cè)照片F(xiàn)ig.10 Picture of deflection distance detection of B

光路偏轉(zhuǎn)距離檢測(cè)。以左光路元件B為例，如圖9和圖10所示將B放置在四維調(diào)整平臺(tái)上，調(diào)節(jié)激光使光束入射光斑相對(duì)于光闌2中心孔對(duì)稱分布，同時(shí)使斜方棱鏡的入射端面反射光點(diǎn)通過小孔光闌1，此時(shí)說明激光已校準(zhǔn)好，恰好從光闌2中心垂直于斜方棱鏡入射端面入射，若激光從小孔光闌3中心孔對(duì)稱射出，說明偏轉(zhuǎn)距離d為0，若觀察到激光從光闌3中心孔非中心對(duì)稱射出，此時(shí)記錄調(diào)整平臺(tái)的水平和豎直坐標(biāo)值x1和z1，然后取下小孔光闌2，微調(diào)待測(cè)部件的水平和豎直位移量，直到激光恰好從光闌3中心孔對(duì)稱射出，記錄此時(shí)的水平、豎直坐標(biāo)值x2、z2。Δx＝x2－x1，Δz＝z2－z1即水平偏轉(zhuǎn)距離和豎直偏轉(zhuǎn)距離，為偏轉(zhuǎn)距離d的絕對(duì)值。用同樣的方法測(cè)量了C、B＋C、B＋C＋D＋E的光路偏轉(zhuǎn)距離（如圖11～圖14所示）。檢測(cè)結(jié)果如表2所示，其中“左”表示左光路，“右”表示右光路。

圖11 B＋C偏轉(zhuǎn)距離檢測(cè)示意圖Fig.11 Schematic of deflection distance detection of B＋C

圖12 B＋C偏轉(zhuǎn)距離檢測(cè)照片F(xiàn)ig.12 Picture of deflection distance detection of B＋C

圖13 B＋C＋D＋E偏轉(zhuǎn)距離檢測(cè)示意圖Fig.13 Schematic of deflection distance detection of B＋C＋D＋E

圖14 B＋C＋D＋E偏轉(zhuǎn)距離檢測(cè)照片F(xiàn)ig.14 Picture of deflection distance detection of B＋C＋D＋E

光路偏轉(zhuǎn)角度檢測(cè)。先以左光路為例，如圖15調(diào)節(jié)光路使激光束從B的入射端面中心垂直入射，O點(diǎn)為理想出射光線與斜方棱鏡出射端面的交點(diǎn)，A1點(diǎn)是激光束不經(jīng)過系統(tǒng)直接到達(dá)接收屏上的位置，A2點(diǎn)是光束通過B或B＋C后到達(dá)接受屏的理想位置，A3是光束僅通過B后的實(shí)際位置，A4是光束通過B＋C后的實(shí)際位置，光線通過B后的光路偏轉(zhuǎn)角度為θ1，通過B＋C后的光路偏轉(zhuǎn)角度為θ2，近似計(jì)算可以認(rèn)為θ1等于OA2與OA3的夾角，θ2等于OA2與OA4的夾角，e是斜方棱鏡的光線橫向偏轉(zhuǎn)位移理想值，由待測(cè)系統(tǒng)所用斜方棱鏡公差圖可知e＝（51±0.1）mm，取e＝51mm，s是斜方棱鏡出射端面到接收屏的距離，實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得s＝5 760mm，選A1為坐標(biāo)原點(diǎn)，O點(diǎn)坐標(biāo)為［0，51，－5 760］，然后保持入射激光束和接收屏位置不變，換用右光路元件B、C作實(shí)驗(yàn)，亦可得到光束通過右光路元件后接收屏上各點(diǎn)的位置，最終如圖16所示，“B左”表示把左光路的元件B放入光路中，其他的類同。由以上數(shù)據(jù)求得光路偏轉(zhuǎn)角度如表3所示。

表2 光路偏轉(zhuǎn)距離測(cè)量結(jié)果Table 2 Measured results of light path deflection distance mm

圖15 光路偏轉(zhuǎn)角度檢測(cè)示意圖Fig.15 Schematic of deflection angle detection of light path

圖16 接收屏光點(diǎn)分布坐標(biāo)圖Fig.16 Map of receiving screen light spot location

3.3 系統(tǒng)平行性檢測(cè)

平行光校準(zhǔn)，2束激光分別通過小孔光闌1、2后入射到標(biāo)準(zhǔn)平面鏡上，調(diào)節(jié)激光使2束激光各自的反射光斑分別與光闌1、2的小孔重合，如圖17所示。

圖17 平行光校準(zhǔn)Fig.17 Alignment of parallel light

圖18 入射端面平行性檢測(cè)方法Fig.18 Schematic of detection of parallelism between incident faces

兩入射端面平行性檢測(cè)。圖18為2束平行光通過小孔光闌后打到入射端面上，調(diào)節(jié)光路，使光線垂直于入射端面2入射，此時(shí)記錄入射端面1在小孔光闌1上反射光斑的位置點(diǎn)R，量出其相對(duì)于小孔光闌1中心點(diǎn)Q的距離｜QR｜，小孔光闌1到入射端面1的距離k，則兩入射端面夾角φ≈｜QR｜／2k。

由于A（待測(cè)目鏡）的入射端面接近平面，亦可用上述方法檢測(cè)，用上述方法依次檢測(cè)了A、B、D的入射端面平行性，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 入射端面平行性測(cè)量結(jié)果Table 4 Measured results of parallelism between incident faces

兩光路平行性檢測(cè)。圖19為2束平行光分別從左右光路入射端面中心入射，由于左右光路入射端面不平行，入射時(shí)無(wú)法使2束光均與端面垂直入射，檢測(cè)時(shí)使左光束垂直于入射端面入射，出射端兩光軸間的距離為d1，出射端面到接收屏的距離為s1，兩出射光束到達(dá)接收屏上的點(diǎn)為B1、B2，間距為d2，依次檢測(cè)B、B＋C、B＋C＋D＋E的兩光路平行性，檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)O1O2B1B2四點(diǎn)基本上在一個(gè)平面內(nèi)，且O1O2與B1B2大致平行，s1?d2，s1?d1，因此有α≈（d2－d1）／s1，測(cè)量結(jié)果如表5所示。

圖19 兩光路出射光線平行性測(cè)量示意圖Fig.19 Schematic of emergent light parallelism detection of double-light paths

表5 兩光路出射光線夾角測(cè)量結(jié)果Table 5 Measured results of angle between emergent light of double-light paths

4 檢測(cè)結(jié)果分析

光束通過B后出現(xiàn)了較大的偏轉(zhuǎn)距離，左光路為0.82mm，右光路為0.34mm，通過C后，左光路為0.66mm，右光路為0.32mm，偏轉(zhuǎn)距離有所減小，通過D＋E后，左光路為0.63mm，稍有減??；右光路為0.52mm，有了明顯增大?？傮w來看，B對(duì)控制整個(gè)系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)距離大小來說是極為重要的，B造成的偏轉(zhuǎn)距離將影響到后續(xù)光學(xué)元件，C的影響較小，D＋E對(duì)偏轉(zhuǎn)距離有放大作用。B大的偏轉(zhuǎn)距離是其加工誤差或安裝誤差過大引起的［4－8］。光束在通過B后的光路偏轉(zhuǎn)角度在幾分的數(shù)量級(jí)，右光路為3.18′，左光路為0.98′，說明左光路B的性能比右光路好，再通過C后，光路偏轉(zhuǎn)角度有所增大，左光路為5.17′，右光路為8.48′，C對(duì)偏轉(zhuǎn)角度有放大作用，這使得對(duì)B的性能要求增加，更需選用小偏轉(zhuǎn)角的B元件。

A入射端面夾角最大為46.05′，D其次為23.67′，B最小為4.76′，總體上看 A、B、D的入射端面夾角都較大，說明左右光路元件安裝對(duì)稱性較差。平行光通過B后出射光線夾角為3.43′，通過C后增大為12.05′，通過 D和E后增大為51.14′，總體上看，系統(tǒng)的左右光路對(duì)稱性不太好，放大作用主要是C和E所致，也與D有關(guān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了將系統(tǒng)拆分成元件，再逐步組合分層檢測(cè)的方法，可以方便地檢測(cè)分析系統(tǒng)各部件對(duì)光路偏轉(zhuǎn)和平行性的影響，以便于逆向設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)。不足之處：1）通過在入射端面安裝小孔光闌的方法建立光路中心點(diǎn)基準(zhǔn)后，采用的是目視法判斷光束是否從小孔中心入射，并通過調(diào)節(jié)四維支架的位移值來測(cè)量偏轉(zhuǎn)距離，速度較慢，精度有限，而且人眼在觀察光斑過程中極容易疲勞，如果能研發(fā)一種光斑位置探測(cè)傳感器來替代小孔光闌，直接把光斑位置讀出并傳輸給計(jì)算機(jī)分析，檢測(cè)效率和精度都將大大提高；2）檢測(cè)系統(tǒng)平行性時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件所限，沒有采用自準(zhǔn)直儀［9］，若采用自準(zhǔn)直儀測(cè)量精度至少還可以上升2個(gè)量級(jí)。

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