CN102589854A - 反射式差动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，涉及一种反射式差动共焦透镜焦距测量方法。该方法通过差动共焦测量方法配合平面反射镜精确定位透镜表面顶点和焦点位置，进而测得透镜顶焦距及焦距。本发明首次提出通过差动共焦响应曲线过零点时对应被测透镜焦点和表面顶点特性实现精确定焦，将差动共焦测量技术扩展到透镜焦距测量领域，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点，可用于透镜焦距的高精度检测。

Description

反射式差动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。该方法由于需要通过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差动共焦技术迅速发展，该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，所以该方法的灵敏度高于垂轴方向的评价方法，并且该方法采用光强作为数据信息，相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力。例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗扰动能力。 

本发明人在差动共焦显微成像技术的启发下，率先提出将差动共焦测量技术应用于元件参数测量领域，利用差动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“差动共焦曲率半径测量方法与装置”(专利号：200910082249.0)，专利“基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置”(专利号：201010105743.7)，专利“差动共焦镜组轴向间隙测量方法与装置”(专利号：201010000553.9)等。 

本发明是基于差动共焦技术的又一元件参数测量方法，该技术相比于以往测量方法具有测量精度高、抗干扰能力强及智能化程度高等诸多优点，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，本发明提出一种反射式差动共焦透镜焦距测量方法。该反射式差动共焦透镜焦距测量方法的核心思想是，利用差动共焦测量技术并借助平面反射镜，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。 

本发明的一种反射式差动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、准直透镜和被测透镜后照射在平面反射镜上，由平面反射镜的表面反射，反射回来的光经被测透镜和准直透镜后由分光镜反射进入差动共焦测量系统； 

(b)调整被测透镜，使其与准直透镜共光轴。准直透镜将点光源产生的光准直成平行光。平行光照射在被测透镜上，由被测透镜会聚形成测量光束照射在平面反射镜上。调整平面反射镜，使其与准直透镜共光轴； 

(c)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的聚焦焦点与平面反射镜表面接近。在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与平面反射镜的表面相重合，进而精确确定被测透镜的焦点位置，记录此时平面反射镜的位置z₁； 

(d)将平面反射镜沿光轴向被测透镜方向移动，使测量光束由平面反射镜反射后聚焦到被测透镜表面附近。在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的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，记录此时平面反射镜的位置z₂； 

(e)根据上述两次定焦得到的平面反射镜位置z₁、z₂之间的距离d，即可测得被测透镜的顶焦距l_F′＝2d。 

本发明所述的反射式差动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： 

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

本发明所述的反射式差动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，降低定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。 

本发明所述的反射式差动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，使其与差动共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。 

本发明所述的反射式差动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，由差动共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的差动共焦响应信号，将该调制信号解调后得到差动共焦响应曲线，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.首次提出利用差动共焦响应曲线的过零点确定被测透镜的焦点及表面顶点位置，将差动共焦测量方法应用到透镜顶焦距及焦距的测量； 

2.本测量方法中，差动共焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，并配合差动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，削减了像差的对测量结果的影响。 

本发明对比已有技术具有以下显著优点： 

1.差动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.差动工作方式可以削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响； 

3.该测量光路简单且紧凑，有效降低了环境扰动对测量精度的影响。 

附图说明

图1为本发明反射式差动共焦透镜焦距测量方法的示意图； 

图2为本发明反射式差动共焦透镜焦距测量实施例的示意图； 

图3为本发明由差动共焦测量系统探测得到的差动共焦响应曲线； 

其中：1-点光源、2-分光镜、3-准直透镜、4-环形光瞳、5-被测透镜、6-平面反射镜、7-差动共焦测量系统、8-焦后针孔、9-焦后光强传感器、10-焦前针孔、11-焦前光强传感器、12-分光镜、13-测量光束、14-焦后显微物镜、15-CCD探测器、16-焦前显微物镜、17-CCD探测器、18-点光源发生装置、19-光纤、20-激光器、21-主控计算机、22-图像采集卡、23-图像采集卡、24-机电控制装置、25-直线平移导轨、26-二维调整架。 

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差动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，利用差动共焦测量技术并借助平面反射镜，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。 

实施例1 

当被测透镜5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，反射式差动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21中的测量软件，打开激光器20，激光器20所发出的光经光纤19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； 

(b)将平面反射镜6放置于二维调整架26上，通过二维调整架26调整平面反射镜6，使其表面与平行光束光轴相垂直； 

(c)将被测透镜5放置于准直透镜3和平面反射镜6之间，调整被测透镜5，使其与准直透镜3共光轴。平行光照射在被测透镜5上，由被测透镜5会聚形成测量光束13照射在平面反射镜6上； 

(d)主控计算机21中的测量软件通过机电控制装置24控制直线平移导轨25轴向平移，进而带动平面反射镜6沿光轴方向移动。将平面反射镜6移动到其表面与测量光束13的聚焦焦点相接近，然后在该位置附近扫描平面反射镜6，测量软件通过图像采集卡22和图像采集卡23采集得到焦前光斑数据和焦后光斑数据并处理出如附图3所示的差动共焦响应曲线。通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束13的焦点与平面反射镜6的表面相重合，进而精确确定被测透镜5的焦点位置，此时平面反射镜6的位置z₁＝1.0102mm； 

(e)将平面反射镜6沿光轴向被测透镜5方向移动，使测量光束13由平面反射镜6反射后聚焦到被测透镜5表面附近。在该位置附近扫描平面反射镜6，测量软件再次通过图像采集卡22和图像采集卡23采集得到焦前光斑数据和焦后光斑数据并处理出如附图3所示的差动共焦响应曲线。通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束13的焦点与被测透镜5的表面相重合，进而精确确定被测透镜5的表面顶点位置，此时平面反射镜6的位置为z₂＝49.7460mm； 

(f)根据上述两次定焦得到的平面反射镜6的位置z₁、z₂，可得到z₁、z₂之间的距离d＝49.7460-1.0102mm＝48.7358mm，进而可得到被测透镜5的顶焦距l_F′＝2d＝2×48.7358mm＝97.4716mm。 

如附图1所示，该反射式差动共焦透镜焦距测量方法中的差动共焦测量系统7包括分光镜12、焦前针孔10、焦前光强传感器11、焦后针孔8和焦后光强传感器9。由分光镜2反射回来的光进入差动共焦测量系统7，由分光镜12将光束分成两路，一路通过焦前针孔10后，照射在焦前光强传感器11上，另一路通过焦后针孔8后，照射在焦后光强传感器9上。在实际系统设计中，通常采用如附图2中所示的差动共焦测量系统7降低系统装调难度。该差动共焦测量系统7包括分光镜12、焦前显微物镜16、CCD探测器17、焦后显微物镜14和CCD探测器15。其中焦前显微物镜16的物平面位于焦前，在其像平面放置 CCD探测器17，焦后显微物镜14的物平面位于焦后，在其像平面放置CCD探测器15。由分光镜2反射回来的光进入差动共焦测量系统7，由分光镜12将光线分成两路，一路通过焦前显微物镜16成像在CCD探测器17上，另一路通过焦后显微物镜14成像在CCD探测器15上。 

实施例2 

根据被测透镜5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′＝97.4716mm，可间接测得被测透镜5的焦距： 

$f^{\′}={l_F}^{\′}+\frac{r_{2}b}{n(r_2-r_1)+(n-1)b}=98.9616\mathrm{mm}$

此实施例通过一系列的措施实现了对被测透镜5的顶焦距及焦距的测量。在测量过程中，采用差动共焦测量方法对被测透镜5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.反射式差动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、准直透镜和被测透镜后照射在平面反射镜上，由平面反射镜的表面反射，反射回来的光经被测透镜和准直透镜后由分光镜反射进入差动共焦测量系统；

(b)调整被测透镜，使其与准直透镜共光轴；准直透镜将点光源产生的光准直成平行光；平行光照射在被测透镜上，由被测透镜会聚形成测量光束照射在平面反射镜上；调整平面反射镜，使其与准直透镜共光轴；

(c)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的聚焦焦点与平面反射镜表面接近；在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与平面反射镜的表面相重合，进而精确确定被测透镜的焦点位置，记录此时平面反射镜的位置z₁；

(d)将平面反射镜沿光轴向被测透镜方向移动，使测量光束由平面反射镜反射后聚焦到被测透镜表面附近；在该位置附近扫描平面反射镜，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的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，记录此时平面反射镜的位置z₂；

(e)根据上述两次定焦得到的平面反射镜位置z₁、z₂之间的距离d，即可测得被测透镜的顶焦距l_F′＝2d。

2.根据权利要求1所述的反射式差动共焦透镜焦距测量方法，其特征在于：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：

3.根据权利要求1或2所述的反射式差动共焦透镜焦距测量方法，其特征在于：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，降低定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。

4.根据权利要求1或2所述的反射式差动共焦透镜焦距测量方法，其特征在于：在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与差动共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。

5.根据权利要求1或2所述的反射式差动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，由差动共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的差动共焦响应信号，将该调制信号解调后得到差动共焦响应曲线，从而提高系统的定焦灵敏度。 

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