CN104374548A - 一种透镜折射率干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透镜折射率干涉测量方法，该方法首先通过移动被测透镜，使干涉仪出射的平行光束经过标准镜头后会聚在被测透镜表面。然后采用双路测距干涉仪进行距离测量及面形误差补偿，获取被测透镜前后表面顶点处两次定位的位置坐标，利用光线追迹公式计算透镜折射率。该方法使用的测量装置包括干涉仪，标准物镜，激光测距仪，五维调整架及移动导轨。其中标准物镜和被测透镜依次放在干涉仪光源出射光线方向。被测透镜固定在五维调整架上，可在导轨上移动。本发明利用干涉法对透镜表面定位及位置补偿，实现了透镜折射率的非接触测量。

Description

一种透镜折射率干涉测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及的是一种透镜折射率干涉测量方法。

背景技术

透镜是光学系统中最常用的光学元件，而透镜折射率是光学元件的一个重要物理参数之一，对光学系统的质量有较大影响。对一些要求较高的系统，其所用光学材料的折射率都必须精确测量。

目前关于透镜折射率的方法较少。测量玻璃折射率主要有测角法和干涉法两大类。测角法包括最小偏折法、V棱镜法和自准直法等。上述方法精度较高，但需要将元件加工成特定形状或镀特定反射膜，因而无法直接用于透镜折射率测量。干涉法包括F-P(法布里-珀罗)干涉仪和浸液法等。但F-P干涉仪仅能对薄透明体的测量，且光路调整复杂，测量时间长；《哈尔滨理工大学学报》的《用环形横向剪切干涉仪测量透镜的折射率》中，采用浸液法测量透镜折射率即：调试混合液体使其折射率与被测透镜匹配。但混合液体调配过程繁琐，且对人体有害。2008年Eduardo A Barbosa等学者在文献《Refractive and geometric lenscharacterization through multi-wavelength digital speckle pattern interferometry》中提出采用多模激光干涉的方法采集反射光的干涉图样，计算得到透镜折射率，该方法测量简便但数据处理过程繁琐。中国专利“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”中，利用差动共焦光锥对透镜表面顶点进行精确定位，实现透镜折射率的非接触高精度测量。

本发明利用干涉仪出射的平行光束分别会聚到被测透镜前表面及后表面，通过观察干涉条纹及面形误差离焦项进行定位，并对测距干涉仪测量得到的位置坐标进行修正，计算得到被测透镜折射率。本发明方法可对平面透镜、球面透镜的折射率进行测量，具有操作简便、高效、不损伤被测透镜表面等优点。

发明内容

本发明的目的是为了解决透镜折射率的非接触高精度测量问题，提出一种透镜折射率干涉测量方法。本发明基于光线追迹公式，利用干涉条纹及面形误差离焦项来确定并修正被测透镜前表面与光轴的交点、后表面与光轴交点位置，然后利用被测透镜的位置和预先测得的被测透镜前表面曲率半径、标准物镜的焦距及通光口径，来对被测透镜进行光线追迹，继而实现被测透镜折射率的测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明的一种透镜折射率干涉测量方法，其具体步骤如下：

步骤一、将被测透镜安装在五维调整架上，再将五维调整架安装在导轨上，同时在五维调整架与干涉仪之间对称安装两路测距干涉仪，调整测距干涉仪测量光束与导轨平行；

步骤二、打开干涉仪，产生平行测量光束；调整被测透镜与标准物镜同轴，并调整标准物镜与被测透镜垂直于平行光束；

步骤三、使测量光束聚焦到被测透镜前表面；具体过程为：

在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜会聚，到达被测透镜前表面，经过被测透镜前表面的反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜前表面，记录此时面形误差离焦项p₁，并通过测距干涉仪记录此时被测透镜的位置z₁；

步骤四、时测量光束聚焦到被测透镜后表面；具体过程为：

在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜会聚，到达被测透镜后表面，经过被测透镜后表面的反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜后表面，记录此时面形误差离焦项p₂，并通过测距干涉仪记录此时被测透镜的位置z₂；

步骤五、得到被测透镜的折射率n；

由步骤三、四得到的被测透镜的位置z₁和z₂，及被测透镜前表面和后表面面形误差离焦项p₁和p₂，结合被测透镜前表面的曲率半径r、空气折射率n₀、被测透镜的中心厚度d、标准物镜的焦距f'及通光口径D，使用光线追迹的方法获得被测透镜的折射率。

进一步的，本发明的一种透镜折射率干涉测量方法，所述使用光线追迹方法精确获得被测透镜的折射率n的具体步骤为：

U＝arctan(D/2f′)         (1)

其中，U为被测透镜前表面入射光线与光轴的夹角(数值孔径角)；D为测量时平行光束的通光口径；

L＝|z₂-z₁+8×(f′/D)²×(p₂-p₁)|        (2)

其中，L为被测透镜前表面入射光线与光轴的交点到被测透镜前表面与光轴交点的距离；

当被测透镜为球面透镜时，为便于计算，假设，

$A=U+\arcsin (\frac{L-r}{r}\·\sin U)---\left(3\right)$

并将公式3带入公式4，

$n=n_0\·\frac{(L-r)}{r}\·\sin U\·\sqrt{{(\frac{r}{(d-r)\sin A}+\cot A)}^2\±1}---\left(4\right)$

其中，r为被测透镜前表面的曲率半径；n₀为空气折射率，d为被测透镜的折射率；U为被测透镜前表面入射光线与光轴的夹角；

通过将公式1、公式2和公式3带入公式4，即可获得被测球面透镜的折射率n。

当被测透镜为平面透镜时，

$n=\frac{n_0\·\sin U}{\sin \left[\arctan (\frac{L}{d}\·\tan U)\right]}---\left(5\right)$

其中，n₀为空气折射率，d为被测透镜的中心厚度；U为被测透镜前表面入射光线与光轴的夹角；

通过将公式1和公式2带入公式5，即可获得被测平面透镜的折射率n。

进一步的，本发明的一种透镜折射率干涉测量方法，通过干涉仪测量得到的被测透镜前表面和后表面的面形误差离焦项定位，并且利用面形误差离焦项修正测距干涉仪测量得到的位置坐标。

进一步的，本发明的一种透镜折射率干涉测量方法，可以测量凹透镜、凸透镜及平面透镜的折射率。

进一步的，本发明的一种透镜折射率干涉测量方法，所述的对称双路测距干涉仪还可以用单路测距干涉仪替换，该单路测距干涉仪可直接沿光轴安装于五维调整架背面。

进一步的，本发明的一种透镜折射率干涉测量方法，该方法利用的装置包括干涉仪、标准物镜、被测透镜、测距干涉仪、五维调整架及导轨。其中标准物镜和被测透镜依次放在干涉仪出射光线方向，标准物镜与被测透镜垂直于干涉仪出射光线方向；测距干涉仪的测量光束、导轨均平行于干涉仪出射光线方向。

本发明对比已有技术具有以下创新点：

(1)本透镜折射率测量方法利用干涉条纹对被测透镜表面实现非接触高精度定位，不损伤透镜表面，调整方便，测量速度快等优点。

(2)利用干涉测量得到的被测透镜表面面形误差的离焦项，可以对测距干涉仪测量得到的透镜表面位置进行修正。

(3)本发明可以对凹透镜、凸透镜及平面透镜的折射率进行测量。

附图说明

图1是本发明的测量装置示意图；

图2是本发明的凹透镜折射率测量实施例示意图；

图3是本发明的凹透镜折射率测量实施例干涉图样；其中，图3(a)为被测凹透镜上表面干涉图样示意图，图3(b)为被测凹透镜下表面干涉图样示意图；

图4是本发明的平面透镜折射率测量实施例示意图；

图5是本发明的平面透镜折射率测量实施例干涉图样；其中，图5(a)为被测平面透镜上表面干涉图样示意图，图5(b)为被测平面透镜下表面干涉图样示意图；

其中：1-干涉仪、2-标准物镜、3-被测透镜、4-测距干涉仪、5-五维调整架、6-被测透镜前表面、7-被测透镜后表面、8-导轨。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明

本发明的基本思想是利用干涉条纹及面形误差对透镜表面顶点进行精确定位，实现透镜折射率测量，并利用面形误差离焦项对测量结果进行修正。

实施例一

如图1、图2所示，凹透镜折射率干涉测量方法，其测量步骤是：

首先，将被测凹透镜安装在五维调整架5上，再将五维调整架5安装在导轨8上，同时在五维调整架5与干涉仪1之间对称安装两路测距干涉仪4，调整测距干涉仪4测量光束与导轨8平行。已知相关参数，其主要包括被测凹透镜前表面6的曲率半径r＝423.684mm、空气折射率n₀＝1和被测凹透镜3中心厚度d＝30.6mm。

然后，打开干涉仪1，调整被测凹透镜3与标准物镜2同轴，并调整标准物镜2与被测凹透镜3垂直于入射平行光束；已知标准物镜2通光口径D＝100mm，焦距f′＝80mm。由干涉仪1出射的平行光束分为两部分，一部分光直接在标准物镜2表面发生反射，另一部分光束通过标准物镜2会聚于被测凹透镜3表面后发生反射。两束反射光在干涉仪1内相遇，产生干涉条纹。

测量过程中，被测凹透镜3沿导轨8在光轴方向上扫描移动。通过观察干涉条纹及面形误差离焦项大小来确定标准物镜2出射光束顶点与被测凹透镜3前后表面顶点重合，并以此记录在两个重合点处被测凹透镜3的位置坐标z₁，z₂及面形误差离焦项p₁，p₂，被测凹透镜上下表面干涉图样如图3所示。

根据已知参数：被测凹透镜前表面6的曲率半径r、空气折射率n₀、被测凹透镜3的中心厚度d、结合标准物镜2测量光束的数值孔径角U＝arctan(D/2f′)、两次定位的移动量L＝|z₂-z₁+8×(f′/D)²×(p₂-p1₎|，使用以下公式：

$A=U+\arcsin (\frac{L-r}{r}\·\sin U)$

$n=n_0\·\frac{(L-r)}{r}\·\sin U\·\sqrt{{(\frac{r}{(d-r)\sin A}+\cot A)}^2\±1}$

计算得到被测凹透镜3的折射率n。

本实施例所得位置坐标分别为z₁＝-249.8066mm，z₂＝-268.8087mm，面形误差离焦项分别为p₁＝0.5nm，p₂＝3461.1nm。代入计算公式，可得透镜折射率n＝1.51369。

实施例二

如图1、图4所示，平面透镜折射率干涉测量方法，其测量步骤是：

首先，将被测平面透镜安装在五维调整架5上，再将五维调整架5安装在导轨8上，同时在五维调整架5与干涉仪1之间对称安装两路测距干涉仪4，调整测距干涉仪4测量光束与导轨平行。已知相关参数，其主要包括空气折射率n₀＝1和被测平面透镜3中心厚度d＝17.04mm。

然后，打开干涉仪1；调整被测平面透镜3与标准物镜2同轴，并调整标准物镜2与被测平面透镜3垂直于入射平行光束；已知标准物镜2通光口径D＝100mm，焦距f′＝80mm。由干涉仪1出射的平行光束分为两部分，一部分光直接在标准物镜2表面发生反射，另一部分光束通过标准物镜2会聚于被测平面透镜3表面后发生反射。两束反射光在干涉仪1内相遇，产生干涉条纹。

测量过程中，被测平面透镜3沿导轨8在光轴方向上扫描移动。通过观察干涉条纹及面形误差离焦项大小来确定标准物镜2出射光束顶点与被测平面透镜3前后表面重合，并以此记录在两个重合点处被测平面透镜3的位置坐标z₁，z₂及面形误差离焦项p₁，p₂，被测平面透镜上下表面干涉图样如图5所示。

根据已知参数：空气折射率n₀、被测平面透镜3的中心厚度d、结合标准物镜2测量光束的数值孔径角U＝arctan(D/2f′)、两次定位的移动量L＝|z₂-z₁+8×(f′/D)²×(p₂-p₁)|，使用以下公式：

$n=\frac{n_0\·\sin U}{\sin \left[\arctan (\frac{L}{d}\·\tan U)\right]}$

计算得到被测平面透镜3的折射率n。

本实施例所得位置坐标分别为z₁＝-259.7471mm，z₂＝-269.8988mm，面形误差离焦项分别为p₁＝-3.7nm，p₂＝8827.6nm。代入计算公式，可得透镜折射率n＝1.51296。

此实施例通过一系列的措施实现了球面及平面透镜折射率的非接触测量，实现了透镜折射率干涉测量的方法，具有不损伤表面、结构简单，检测周期短、使用方便等优点。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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 (6)

1.一种透镜折射率干涉测量方法，其特征在于：其具体步骤如下：

步骤一、将被测透镜安装在五维调整架(5)上，再将五维调整架(5)安装在导轨(8)上，同时在五维调整架与干涉仪之间对称安装两路测距干涉仪(4)，调整测距干涉仪(4)测量光束与导轨(8)平行；

步骤二、打开干涉仪(1)，产生平行测量光束；调整被测透镜(3)与标准物镜(2)同轴，并调整标准物镜(2)与被测透镜(3)垂直于平行光束；

步骤三、使测量光束聚焦到被测透镜前表面(6)；具体过程为：

在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜(2)会聚，到达被测透镜前表面(6)，经过被测透镜前表面(6)反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜(2)，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜(3)，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜前表面(6)，记录此时面形误差离焦项p₁，并通过测距干涉仪(4)记录此时被测透镜(3)的位置z₁；

步骤四、使测量光束聚焦到被测透镜后表面(7)；具体过程为：

在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜(2)会聚，到达被测透镜后表面(7)，经过被测透镜后表面(7)的反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜(2)，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜(3)，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜后表面(7)，记录此时面形误差离焦项p₂，并通过测距干涉仪(4)记录此时被测透镜(3)的位置z₂；

步骤五、得到被测透镜(3)的折射率n；

由步骤三、四得到的被测透镜(3)的位置z₁和z₂，及被测透镜前表面(6)和后表面(7)面形误差离焦项p₁和p₂，结合被测透镜前表面(6)的曲率半径r、空气折射率n₀、被测透镜的中心厚度d、标准物镜的焦距f'及通光口径D，使用光线追迹的方法获得被测透镜(3)的折射率。

2.如权利要求1所述的一种透镜折射率干涉测量方法，其特征在于：所述使用光线追迹方法精确获得被测透镜(3)的折射率n的具体步骤为：

U＝arctan(D/2f′)   (1)

其中，U为被测透镜前表面(6)入射光线与光轴的夹角即数值孔径角；D为测量时平行光束的通光口径；

L＝|z₂-z₁+8×(f′/D)²×(p₂-p₁)|   (2)

其中，L为被测透镜前表面(6)入射光线与光轴的交点到被测透镜前表面(6)与光轴交点的距离；

当被测透镜为球面透镜时，为便于计算，假设：

$A=U+\arcsin (\frac{L-r}{r}\·\sin U)---\left(3\right)$

并将公式3带入公式4；

$n=n_0\·\frac{(L-r)}{r}\·\sin U\·\sqrt{{(\frac{r}{(d-r)\sin A}+\cot A)}^2\±1}---\left(4\right)$

其中，r为被测透镜前表面(6)的曲率半径；n₀为空气折射率，d为被测透镜(3)的中心厚度；U为被测透镜前表面(6)入射光线与光轴的夹角；

通过将公式1、公式2和公式3带入公式4，即可获得被测球面透镜(3)的折射率n；

当被测透镜为平面透镜时，

$n=\frac{n_0\·\sin U}{\sin \left[\arctan (\frac{L}{d}\·\tan U)\right]}---\left(5\right)$

其中，n₀为空气折射率，d为被测透镜(3)的中心厚度；U为被测透镜前表面(6)入射光线与光轴的夹角；

通过将公式1和公式2带入公式5，即可获得被测平面透镜(3)的折射率n。

3.如权利要求1或2所述的一种透镜折射率干涉测量方法，其特征在于：通过干涉仪(1)测量得到的被测透镜前表面(6)和后表面(7)的面形误差离焦项定位，并且利用面形误差离焦项修正测距干涉仪(4)测量得到的位置坐标。

4.如权利要求1或2所述的一种透镜折射率干涉测量方法，其特征在于：可以测量凹透镜、凸透镜及平面透镜的折射率。

5.如权利要求1所述的一种透镜折射率干涉测量方法，其特征在于：所述的对称双路测距干涉仪(4)还可以用单路测距干涉仪替换，该单路测距干涉仪可直接沿光轴安装于五维调整架背面。

6.如权利要求1或2所述的一种透镜折射率干涉测量方法，其特征在于：该方法利用的装置包括干涉仪(1)、标准物镜(2)、被测透镜(3)、测距干涉仪(4)、五维调整架(5)及导轨(8)；其中标准物镜(2)和被测透镜(3)依次放在干涉仪(1)出射光线方向，标准物镜(2)与被测透镜(3)垂直于干涉仪(1)出射光线方向；测距干涉仪(4)的测量光束、导轨(8)均平行于干涉仪(1)出射光线方向。