CN102589852B - 自准直式共焦透镜焦距测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种自准直式共焦透镜焦距测量方法。该方法将自准直思想融入到共焦测量方法中，进而实现透镜顶焦距及焦距的高精度测量。其核心思想是，引入辅助平面反射镜将被测透镜准直成的平行光束沿原光路反射，并配合共焦技术对被测透镜的焦点及表面顶点进行精确定位，进而得到被测透镜的顶焦距及焦距。本发明首次将自准直测量思想融入共焦测量方法，利用共焦响应曲线的最大值点精确确定被测透镜的焦点及表面顶点位置，具有测量精度高、抗环境干扰能力强等优点，可用于透镜焦距的高精度检测。

Description

自准直式共焦透镜焦距测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于透镜焦距的检测与光学系统装配过程中的高精度焦距测量。 

技术背景

焦距测量是一个古老而经典的透镜参数测量专题，其重要性当然是不言而喻的。焦距是透镜众多参数中最重要的参数之一，对于透镜设计而言，无非就是调整各个参数以保证透镜焦距满足设计要求并且成像性能满足系统要求。透镜焦距测量通常包括顶焦距测量和焦距测量，在系统的设计和装调过程中，这两个参数通常密不可分，所以就要求能同时对透镜的顶焦距和焦距进行高精度的测量。且近些年来，随着科学技术的迅猛发展，在实际应用中人们对所使用透镜各种参数的精度也提出了越发严格的要求，这就要求我们不断寻找一种能更高精度测量透镜顶焦距和焦距的方法。 

针对透镜顶焦距及焦距测量的方法，传统的有目视调焦放大率法。该方法将被测透镜放置于平行光管物镜前，并将平行光管物镜焦面上的分划板的一对刻线成像在被测透镜焦面上，通过测量放大后刻线的间距进而求得被测透镜的焦距。该方法由于需要测量人员在光具座上逐项进行目视定焦、观测、记录、分析处理数据，所以存在效率低、测值不稳定等缺点，其测量准确度通常为0.3％左右。近些年随着光电技术及计算机处理技术的发展，该方法已逐步被一种采用光电探测器和数字图像处理测量透镜顶焦距及焦距的方法所替代。由于该方法避免了测量过程中由人为因素产生的误差，系统的测量精确度得到了很大程度的提高。 

此外，测量透镜顶焦距及焦距的方法还有自准直望远镜法和自准直显微镜法两种，这两种方法均是通过将被测透镜放置在自准直仪上来实现。用自准直显微镜测量正透镜顶焦距和焦距的准确度较常用的放大率法高出5～30倍，而且设备简单。自准直望远镜法较多用于测量负透镜的焦距和顶焦距，还用于测量甚长焦距的正透镜的焦距，但其测量准确度较低。 

当然，除上述三种经典的透镜顶焦距及焦距测量方法之外，国内外学者还提出了很多新的测量方法，发表的文献包括：发表在《中国测试技术》中的《泰伯-莫尔法测量长焦距系统的焦距》，发表在《光子学报》中的《Ronchi光栅Talbot效应长焦距测量的准确度极限研究》，发表在《The Optical Society of  America》中的《Focal length measurements for the National Ignition Facility large lenses》，发表在《APPLIED OPTICS》中的《Talbot interferometry for measuring the focal length of a lens》等，本发明人也曾在《OPTICS EXPRESS》中发表文章《Laser differential confocal ultra-long focal length measurement》。但以上文献提出的透镜顶焦距及焦距测量方法均仅适用于测量超长焦距，若用于一般焦距及较短焦距的测量，则或误差较大或无法实现。 

近年来，国内外显微成像领域的共焦技术迅速发展，与传统的测量方法相比具有良好的层析能力，较高的轴向定位瞄准精度，较强的环境抗干扰能力；与差动共焦技术相比，共焦技术光路简单，易于实现。本发明人在共焦显微成像技术的启发下，率先提出将共焦测量技术应用于元件参数测量领域，利用共焦技术的高轴向分辨率提高元件参数的检测精度，现已申请多项国家发明专利，例如专利“共焦透镜中心厚度测量方法与装置”(专利号：201010128449.8)，专利“共焦镜组轴向间隙测量方法与装置”(专利号：201010128405.5)等。 

本发明是基于共焦技术的又一元件参数测量方法，该技术相比于传统测量方法具有测量精度高、抗干扰能力强及光路简单等诸多优点，并且该技术易与环形光瞳滤波器等技术融合，能更进一步提高其测量精度。 

发明内容

为了提高透镜顶焦距及焦距的测量精度，本发明提出一种自准直式共焦透镜焦距测量方法，将自准直思想融入共焦测量方法，进而实现透镜顶焦距及焦距的高精度测量。其核心思想是，引入辅助平面反射镜将被测透镜准直成的平行光束沿原光路反射折回，并配合共焦技术对被测透镜的焦点及表面顶点进行精确定位，进而得到被测透镜的顶焦距及焦距。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

本发明的一种自准直式共焦透镜焦距测量方法，包括以下步骤： 

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜后形成平行光束，该平行光束经会聚透镜会聚后形成测量光束照射在被测透镜上。辅助平面反射镜放置于被测透镜后方，透过被测透镜的光束被辅助平面反射镜反射。反射回来的光经被测透镜、会聚透镜和准直透镜后由分光镜反射进入共焦测量系统； 

(b)被测透镜与辅助平面反射镜组成被测系统，移动被测系统能使被测透镜和辅助平面反射镜同时沿光轴方向移动。调整被测透镜，使其与测量光束共光轴，调整辅助平面反射镜，使其表面与测量光束光轴相垂直； 

(c)沿光轴方向移动被测系统，使测量光束的聚焦焦点与被测透镜焦点接 近。当测量光束聚焦焦点与被测透镜的焦点重合时，测量光束经被测透镜准直后再次形成平行光束照射在辅助平面反射镜上，辅助平面反射镜将照射在其表面上的光束沿原光路反射折回。在该位置附近扫描被测系统，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的聚焦焦点与被测透镜焦点相重合，进而精确确定被测透镜的焦点位置，记录此时被测系统的位置z₁； 

(d)继续沿光轴方向移动被测系统，使测量光束聚焦于被测透镜表面附近。在该位置附近扫描被测系统，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的聚焦焦点与被测透镜表面相重合，进而精确确定被测透镜表面顶点位置，记录此时被测系统的位置z₂； 

(e)根据上述两次定焦得到的被测系统位置z₁、z₂，即可得到被测透镜的顶焦距l_F′＝|z₁-z₂|。 

本发明所述的自准直式共焦透镜焦距测量方法，还可以用来测量被测透镜焦距：根据被测透镜前表面曲率半径r₁、后表面曲率半径r₂、折射率n和厚度b，可间接测得被测透镜的焦距： 

$f^{\′}={l_F}^{\′}+\frac{r_{2}b}{n(r_2-r_1)+(n-1)b}$

本发明所述的自准直式共焦透镜焦距测量方法，还可以在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，减弱定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。 

本发明所述的自准直式共焦透镜焦距测量方法，还可以在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。 

本发明所述的自准直式共焦透镜焦距测量方法，还可以对点光源发出的光进行光强调制，由共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦响应信号，将该调制信号解调后得到共焦响应曲线，从而提高系统的定焦灵敏度。 

有益效果 

本发明对比已有技术具有以下创新点： 

1.首次将自准直测量思想融入共焦测量方法中，利用共焦响应曲线的过最大值点精确确定被测透镜的焦点及表面顶点位置，进而测得被测透镜的顶焦距及焦距； 

2.本测量方法中，共焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，并配合共焦系统进行光强调制与滤波，能有效削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响； 

3.在光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差对测量结果的影响。 

本发明对比已有技术具有以下显著优点： 

1.共焦技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，所以本发明相比放大率法等焦距测量方法具有更高的测量精度； 

2.共焦测量系统光路简单，易于实现，可有效降低系统研发成本； 

3.经系统准直透镜出射的平行光束的平行度对测量精度影响较小。 

附图说明

图1为本发明自准直式共焦透镜焦距测量方法的示意图； 

图2为本发明自准直式共焦透镜焦距测量实施例的示意图； 

图3为本发明由共焦测量系统探测得到的共焦响应曲线； 

其中：1-点光源、2-分光镜、3-准直透镜、4-环形光瞳、5-会聚透镜、6-测量光束、7-被测透镜、8-辅助平面反射镜、9-被测系统、10-共焦测量系统、11-针孔、12-光强传感器、13-显微物镜、14-CCD探测器、15-点光源发生装置、16-光纤、17-激光器、18-主控计算机、19-图像采集卡、20-机电控制装置、21-直线平移导轨、22-平移块、23-四维调整架、24-二维调整架。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

本发明使用一种基于共焦测量技术的透镜焦距及顶焦距测量方法，显著提高了对被测透镜焦点及顶点的定位精度。其核心思想是，引入辅助平面反射镜将被测透镜准直成的平行光束沿原光路反射折回，并配合共焦技术对被测透镜的焦点及表面顶点进行精确定位，进而测得被测透镜的顶焦距及焦距。 

实施例1 

当被测透镜7是口径为D＝25.4mm、前表面曲率半径r₁＝90.1mm、后表面曲率半径r₂＝-115.4mm、材料为K9玻璃、厚度b＝4mm、标称焦距及顶焦距分别为f′＝99mm、l_F′＝97.5mm的凸透镜时，自准直式共焦透镜焦距测量装置如图2所示，其测量步骤是： 

(a)启动主控计算机18中的测量软件，打开激光器17，激光器17所发出的光经光纤16传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分光镜2和准直透镜3后形成平行光束，该平行光束经会聚透镜5会聚后形成测量光束6； 

(b)将被测透镜7放置于四维调整架23上，辅助平面反射镜8放置于二维调整架24上，四维调整架23和二维调整架24同时固定在直线平移导轨21的平移块22上，平移块22可同时带动被测透镜7和辅助平面反射镜8沿光轴方向移动； 

(c)通过四维调整架23调整被测透镜7与测量光束6共光轴，通过二维调整架24调整辅助平面反射镜8的表面与测量光束光轴相垂直。此时透过被测透镜7的光束被辅助平面反射镜8的表面所反射； 

(d)主控计算机18中的测量软件通过机电控制装置20控制直线平移导轨21上的平移块22轴向平移，进而带动被测透镜7和辅助平面反射镜8沿光轴方向移动。将平移块22移动到被测透镜7的焦点与测量光束6的聚焦焦点接近，当测量光束6聚焦焦点与被测透镜7的焦点重合时，测量光束6经被测透镜7准直后再次形成平行光束照射在辅助平面反射镜8上，辅助平面反射镜8将照射在其表面上的光束沿原光路反射折回。然后在该位置附近扫描被测透镜7和辅助平面反射镜8，测量软件通过图像采集卡19采集得到焦点光斑数据并处理出如附图3所示的共焦响应曲线。通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束6的聚焦焦点与被测透镜7的焦点相重合，进而精确确定被测透镜7的焦点位置，此时平移块22的位置z₁＝100.3862mm； 

(e)继续通过平移块22将被测透镜7和辅助平面反射镜8沿光轴方向移动，使测量光束6聚焦于被测透镜7表面附近。在该位置附近扫描被测透镜7和辅助平面反射镜8，测量软件再次通过图像采集卡19采集得到焦点数据并处理出如附图3所示的共焦响应曲线。通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束6的聚焦焦点与被测透镜7表面相重合，进而精确确定被测透镜7表面顶点位置，此时平移块22的位置为z₂＝2.8546mm； 

(f)根据上述两次定焦得到的平移块22的位置z₁、z₂，即可得到被测透镜7的顶焦距：l_F′＝|z₁-z₂|＝97.5316mm。 

如附图1所示，该自准直式共焦透镜焦距测量方法中的共焦测量系统10包括针孔11和光强传感器12。由分光镜2反射回来的光进入共焦测量系统10后通过针孔11照射在光强传感器12上。实际系统设计中，通常采用如附图2中所示的共焦测量系统10降低系统装调难度。该共焦测量系统10包括显微物镜13和CCD探测器14。其中显微物镜13的物平面位于焦面，在其像平面放置CCD探测器14。由分光镜2反射回来的光进入共焦测量系统10后通过显微物镜13成像在CCD探测器14上。 

实施例2 

根据被测透镜7前表面曲率半径r₁＝90.1mm、后表面曲率半径r₂＝-115.4mm、折射率n＝1.5163、厚度b＝4mm，以及实施例1测得的透镜顶焦距l_F′＝97.5316mm，可间接测得被测透镜7的焦距： 

$f^{\′}={l_F}^{\′}+\frac{r_{2}b}{n(r_2-r_1)+(n-1)b}=99.0216\mathrm{mm}$

此实施例通过一系列的措施实现了对被测透镜7的顶焦距及焦距的测量，在测量过程中，采用共焦测量方法对被测透镜7的焦点及表面顶点进行精确定焦，测量精度高，抗环境干扰能力强。 

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.自准直式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于：

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜后形成平行光束，该平行光束经会聚透镜会聚后形成测量光束照射在被测透镜上；辅助平面反射镜放置于被测透镜后方，透过被测透镜的光束被辅助平面反射镜反射；反射回来的光经被测透镜、会聚透镜和准直透镜后由分光镜反射进入共焦测量系统；

(b)被测透镜与辅助平面反射镜组成被测系统，移动被测系统能使被测透镜和辅助平面反射镜同时沿光轴方向移动；调整被测透镜，使其与测量光束共光轴，调整辅助平面反射镜，使其表面与测量光束光轴相垂直；

(c)沿光轴方向移动被测系统，使测量光束的聚焦焦点与被测透镜焦点接近；当测量光束聚焦焦点与被测透镜的焦点重合时，测量光束经被测透镜准直后再次形成平行光束照射在辅助平面反射镜上，辅助平面反射镜将照射在其表面上的光束沿原光路反射折回；在该位置附近扫描被测系统，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的聚焦焦点与被测透镜焦点相重合，进而精确确定被测透镜的焦点位置，记录此时被测系统的位置z₁；

(d)继续沿光轴方向移动被测系统，使测量光束聚焦于被测透镜表面附近；在该位置附近扫描被测系统，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的聚焦焦点与被测透镜表面相重合，进而精确确定被测透镜表面顶点位置，记录此时被测系统的位置z₂；

(e)根据上述两次定焦得到的被测系统位置z₁、z₂，即可得到被测透镜的顶焦距l_F′=|z₁-z₂|；

(f)根据被测透镜前表面曲率半径r₁、后表面曲率半径r₂、折射率n和厚度b，可间接测得被测透镜的焦距：

$f^{\′}={l_F}^{\′}+\frac{r_{2}b}{n(r_2-r_1)+(n-1)b}$

2.根据权利要求1所述的自准直式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于：所述的共焦测量系统包括针孔和光强传感器，由分光镜反射回来的光进入共焦测量系统后通过针孔照射在光强传感器上。

3.根据权利要求1所述的自准直式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于：所述的共焦测量系统包括显微物镜和CCD探测器，其中显微物镜的物平面位于反射光束的聚焦面，在其像平面放置CCD探测器，由分光镜反射回来的光进入共焦测量系统后通过显微物镜成像在CCD探测器上。

4.根据权利要求1所述的自准直式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于：在光路中的准直透镜和会聚透镜之间增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，减弱定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。

5.根据权利要求1所述的自准直式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于：对点光源发出的光进行光强调制，由共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦响应信号，将该调制信号解调后得到共焦响应曲线，从而提高系统的定焦灵敏度。

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