CN102128600B - 一种利用激光测量透镜曲率半径的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光测量透镜曲率半径的方法，该方法利用一种装置，按照以下步骤实施：将待测平凸透镜水平放置在安装座的内部圆形凹槽槽沿上；激光经反射镜反射后垂直入射到待测平凸透镜上，待测平凸透镜上下表面反射的两束反射光是相干光并形成干涉牛顿环，通过读数显微镜测量干涉条纹的暗环级数k，同时测量第k级暗环对应的直径，采用多次测量的方法，k值取k+1,k+2,k+3,…多个暗环，并测出对应暗环的直径值；采用逐差法处理数据，同时再测出k+m+1,k+m+2,k+m+3,…多个暗环的直径值；将测得的数据通过公式计算，即得待测平凸透镜的曲率半径。本发明还公开了一种实现上述测量方法的装置。本发明的方法及装置，待测平凸透镜无应力变形，测量精度显著提高。

Description

一种利用激光测量透镜曲率半径的方法及其装置

技术领域

本发明属于应用光学设备技术领域，涉及一种利用激光测量透镜曲率半径的方法，本发明还涉及一种激光牛顿环仪测量装置。

背景技术

传统的透镜曲率半径的牛顿环仪测量方法，一般由透镜和光学平板玻璃组成牛顿环仪进行测量，牛顿环仪一般由一块曲率半径很大的待测平凸透镜和一块光学平板玻璃构成，采用波长589.3nm的钠黄光光源进行测量，钠黄光经反射镜反射后垂直入射到牛顿环仪上，可在平凸透镜的表面产生等厚干涉环条纹（包括明环和暗环），经读数显微镜测量暗环参数，可测出待测平凸透镜的曲率半径。但是传统牛顿环仪是通过紧固螺钉调节待测平凸透镜和光学平板玻璃的相对位置，从而产生干涉条纹，在测量的过程中，待测平凸透镜和光学平板玻璃都不可避免地出现应力变形，从而使得待测平凸透镜的曲率半径发生改变，影响测量的精确度。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用激光测量透镜曲率半径的方法，解决了现有牛顿环仪测量方式在实际测量中平凸透镜产生应力变形，测量误差较大的问题。

本发明的另一目的是提供一种激光牛顿环仪测量装置。

本发明所采用的技术方案是，一种利用激光测量透镜曲率半径的方法，该方法利用一种激光牛顿环仪测量装置，其结构是：包括一圆桶状的安装座，安装座）的上圆口安装有上盖，上盖沿轴心开有圆口，安装座内腔底面上设有一圆形凹槽，待测的平凸透镜放置在圆形凹槽）上；上盖的轴心上方设置有与水平面呈45度夹角的反射镜，反射镜的水平入射方向设置有激光源，入射光经反射镜反射后能够垂直入射到平凸透镜上，反射镜的上方设置有读数显微镜，

利用上述装置，按照以下步骤实施：

步骤1、将待测平凸透镜水平放置在安装座的内部圆形凹槽槽沿上；

步骤2、利用激光源发出激光，激光经反射镜反射后垂直入射到待测平凸透镜上，经待测平凸透镜的上下表面产生的两束反射光是相干光，该两束反射光形成干涉牛顿环，通过读数显微镜测量干涉条纹的暗环级数k，同时测量第k级暗环对应的直径Dk，采用多次测量的方法，k值取k+1,k+2,k+3,k+4,k+5,k+6,…多个暗环，并测出对应暗环的直径值；

同时采用逐差法处理数据，m为一恒定整数，需同时再测出k+m+1,k+m+2,k+m+3,k+m+4,k+m+5,k+m+6,…多个暗环的直径值；

将以上测得的数据通过公式                                               

计算，即得待测平凸透镜的曲率半径。

本发明所采用的另一技术方案是，一种激光牛顿环仪测量装置，包括一圆桶状的安装座，安装座的上圆口安装有上盖，上盖沿轴心开有圆口，安装座内腔底面上设有一圆形凹槽，圆形凹槽的槽沿上放置待测平凸透镜；上盖的轴心上方设置有与水平面呈45度夹角的反射镜，反射镜的水平入射方向设置有激光源，使得入射光经反射镜反射后通过圆口能够垂直入射到平凸透镜上，反射镜的上方设置有读数显微镜。

本发明的测量透镜曲率半径的方法和装置，与现有的牛顿环仪测量技术相比，简单易行，待测平凸透镜无应力变形，测量重复性更好，测量精度更高。

附图说明

图1是现有牛顿环仪的结构示意图；

图2是本发明方法使用装置的结构示意图；

图3是激光入射到凸透镜平面原理示意图；

图4是激光入射到凸透镜球面原理示意图；

图5是利用本发明方法在显微镜下看到的干涉图样示意图。

图中，1.压盖，2.底盖，3.平凸透镜，4.紧固螺钉，5.光学平板玻璃，6.钠光源，7.反射镜，8.读数显微镜，9.氦氖激光源，10.圆形凹槽，11.上盖，12.圆口，13.安装座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1，现有的牛顿环仪是在凹槽形的压盖1和底盖2之间放置待测平凸透镜3和光学平板玻璃5，待测平凸透镜3的平面朝上，通过紧固螺钉4连接压盖1和底盖2，此时钠光源6产生黄色光线照到反射镜7，光线经过45度反射后，垂直入射到待测平凸透镜3中，经待测平凸透镜3的下表面和光学平板玻璃5的上表面反射的光线产生干涉条纹，再通过反射镜7上方设置的读数显微镜8进行测量。传统方法测量时，上盖和下盖不能压紧，紧固螺钉4的作用是调整待测平凸透镜3和光学平板玻璃5的相对位置。显而易见，待测平凸透镜3和光学平板玻璃5在接触测量过程中均会产生一定的变形，从而影响对待测平凸透镜3的测量精度。

参照图2，本发明方法所依赖的激光牛顿环仪测量装置的结构是，包括圆桶状的安装座13，安装座13的上圆口通过过盈配合安装有上盖11，上盖11沿轴心开有圆口12，安装座13内腔底面上设有一圆形凹槽10，圆形凹槽10与圆口12同轴设置且直径相同，圆形凹槽10的槽沿上用于放置平面朝下的待测平凸透镜3，使得待测平凸透镜3的待测部分不与圆形凹槽10的凹槽底面接触，因此待测平凸透镜3不会受到任何额外的作用力，不会导致人为的变形，由此解决了传统牛顿环仪不可避免的应力变形问题；上盖11的轴心上方设置有与水平面呈45度夹角的反射镜7，反射镜7的上方设置有读数显微镜8，反射镜7的水平入射方向设置有氦氖激光源9。

如图3、图4所示，本发明方法的计算原理是，设平凸透镜3的入射光线是a，平凸透镜3的上表面的反射光线是b，平凸透镜3的下表面的反射光线是c，平凸透镜3的中心最大厚度为H，第k级暗环半径为rk，第k级暗环直径为Dk，第k级暗环对应的透镜厚度为h，m是一恒定整数，第k+m级暗环半径为rk+m，第k+m级暗环直径为Dk+m，透镜玻璃对波长为632.8nm的氦氖激光的折射率为n。

令：

                                     （1）    

对第k级暗环，由光学干涉原理知识可知：

                          （2）

                                  （3）

                        （4）

忽略高阶小量

，则

            （5）

第k级暗环半径：

                   （6）

第k+m级暗环半径：

          （7）

将式（6）、（7）相减得：

              （8）

将式（8）变为暗环直径差，可得曲率半径：

          （9）

以上测量方法同样适用于测量凹透镜片的曲率半径。

本发明的利用激光测量透镜曲率半径的方法，参照图3、图4，利用上述装置，按照以下步骤实施：

步骤1、将待测平凸透镜3平面朝下自然放置在安装座13的内部圆形凹槽10槽沿上，将上盖11通过过盈配合安装到安装座13的上圆口；

步骤2、利用氦氖激光源9发出氦氖激光，使得氦氖激光a经反射镜7反射后通过圆口12垂直入射到待测平凸透镜3上，经待测平凸透镜3的上下表面反射的两束反射光（b和c）是相干光，该两束反射光形成干涉牛顿环（见图5），通过读数显微镜8测量干涉条纹的暗环级数k，同时测量第k级暗环对应的直径Dk。实际测量中采用多次测量的方法，k值可取k+1,k+2,k+3,k+4,k+5,k+6,…等多个暗环，并测出对应暗环的直径值，一般测6-10个暗环的数据；

同时为提高测量精度，采用逐差法处理数据，需同时再测出k+m+1,k+m+2,k+m+3,k+m+4,k+m+5,k+m+6,…等多个暗环的直径值，m为一恒定整数，m值可取8 -10，一般取m=10；

将以上测得的数据通过公式

计算，即可得到待测平凸透镜3的曲率半径。    

表1是本发明的测量方法与现有方法对平凸透镜样品的测量数据比较：

表1  对平凸透镜样品的测量结果比较

从表1中数据看出，传统方法的测量相对误差大于2%，本发明方法的测量相对误差小于1%，对同一个测试样品，说明了本发明方法的测量相对误差明显优于传统方法。

本发明装置优选采用波长632.8nm的氦氖激光替代传统的波长589.3nm的钠黄光进行的透镜曲率半径测量及相应的光学检测，去掉了传统钠光牛顿仪中的光学平板玻璃，避免了待测平凸透镜的应力变形，待测平凸透镜无应力变形，结构更为简单，测量精度显著提高。

Claims (8)

1.一种利用激光测量透镜曲率半径的方法，其特征在于，该方法利用一种激光牛顿环仪测量装置，其结构是：包括一圆桶状的安装座(13)，安装座(13)的上圆口安装有上盖(11)，上盖(11)沿轴心开有圆口(12)，安装座(13)内腔底面上设有一圆形凹槽(10)，待测的平凸透镜(3)平面朝下放置在圆形凹槽(10)上；上盖(11)的轴心上方设置有与水平面呈45度夹角的反射镜(7)，反射镜(7)的水平入射方向设置有激光源，入射光经反射镜(7)反射后能够垂直入射到平凸透镜(3)上，反射镜(7)的上方设置有读数显微镜(8)，

利用上述装置，按照以下步骤实施：

步骤1、将待测平凸透镜(3)平面朝下水平放置在安装座(13)的内部圆形凹槽(10)槽沿上；

步骤2、利用激光源发出激光，激光经反射镜(7)反射后垂直入射到待测平凸透镜(3)上，经待测平凸透镜(3)的上下表面产生的两束反射光是相干光，该两束反射光形成干涉牛顿环，通过读数显微镜(8)测量干涉条纹的暗环级数k，同时测量第k级暗环对应的直径Dk，采用多次测量的方法，k值取k+1，k+2，k+3，k+4，k+5，k+6，…多个暗环，并测出对应暗环的直径值Dk+m，透镜玻璃对波长为632.8nm的氦氖激光的折射率为n；

同时采用逐差法处理数据，m为一恒定整数，需同时再测出k+m+1，k+m+2，k+m+3，k+m+4，k+m+5，k+m+6，…多个暗环的直径值；

将以上测得的数据通过公式 $R=\frac{n(D_k^2-D_{k+m}^2)}{4\mathrm{m\λ}}=-\frac{n(D_{k+m}^2-D_k^2)}{4\mathrm{m\λ}}$ 计算，即得待测平凸透镜(3)的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的利用激光测量透镜曲率半径的方法，其特征在于，所述的安装座(13)的上圆口与上盖(11)过盈配合安装。

3.根据权利要求1所述的利用激光测量透镜曲率半径的方法，其特征在于，所述的圆形凹槽(10)与圆口(12)同轴设置且直径相同。

4.根据权利要求1所述的利用激光测量透镜曲率半径的方法，其特征在于，所述的激光采用波长为632.8nm的氦氖激光。

5.根据权利要求1所述的利用激光测量透镜曲率半径的方法，其特征在于，所述暗环选取6-10个，m取8-10。

6.一种激光牛顿环仪测量装置，其特征在于：包括一圆桶状的安装座(13)，安装座(13)的上圆口安装有上盖(11)，上盖(11)沿轴心开有圆口(12)，安装座(13)内腔底面上设有一圆形凹槽(10)，圆形凹槽(10)的槽沿上平面朝下放置待测平凸透镜(3)；上盖(11)的轴心上方设置有与水平面呈45度夹角的反射镜(7)，反射镜(7)的水平入射方向设置有激光源，入射光经反射镜(7)反射后能够通过圆口(12)垂直入射到平凸透镜(3)上，反射镜(7)的上方设置有读数显微镜(8)。

7.根据权利要求6所述的一种激光牛顿环仪测量装置，其特征在于，所述的安装座(13)的上圆口与上盖(11)过盈配合安装。

8.根据权利要求6所述的一种激光牛顿环仪测量装置，其特征在于，所述的圆形凹槽(10)与圆口(12)同轴设置且直径相同。

Images