CN107462405B - 宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法与装置，属于光学精密测量技术领域。本发明采用黑体光源通过波长选通系统生成指定波长照明点光源，利用差动共焦光路对被测透镜前后表面顶点进行层析定焦，测量得到被测透镜光学厚度，通过光线追迹算法计算得到透镜的元件折射率，实现可见到红外宽波段范围内任意波长条件下的红外透镜元件折射的高精度非接触测量。本发明无需对被测透镜进行破坏性采样，首次实现了可见到红外任意波长条件下的透镜的元件折射率无损直接测量，具有测量过程便捷，测量精度高、抗环境干扰能力强的优点，可为透镜的元件折射率检测提供一个全新的有效技术途径。

Description

宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，将可见到红外宽波段任意波长点光源发生技术、差动共焦层析定焦技术和光线追迹折射率计算算法结合，涉及一种宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法与装置，可用于可见到红外波段任意波长条件下透镜元件折射率高精度直接测量。

技术背景

透镜是可见和红外光学领域基础零部件，在导航控制、宽光谱观察和激光加工及武器系统中的广泛应用，其折射率作为其关键参数，是分析透镜性能和保障光学系统质量的重要依据，需要准确的测试。为适应不同系统工作波长的差异，需要测量获得宽谱段范围内折射率分布。

目前，折射率的测量方法目前可分为加工前材料折射率测量和加工后元件折射率测量。

光学材料测量折射率的方法常用的有棱镜耦合法、最小偏向角法、阿贝测量法等，上述测量方法的精度很高，但是需要将被测材料加工成特定形状，例如棱镜或者立方体，需要进行破坏性采样和精确制样，不能对元件进行无损折射率测量。在红外透镜加工或者装配过程中，折射率会随着应力和温度变化而发生显著改变，加工前材料的折射率并不能准确代表其加工后的元件折射率。

光学材料测量折射率的方法报道很少，主要有浸液法，干涉法和成像法等浸液法通过将被测透镜浸入一种混合液体中，通过调节混合溶液使其逼近透镜折射率，测量混合液的折射率继而间接测得透镜的折射率，该方法操作复杂，而且不适用于测量样品宽波段折射率分布；干涉法通过测量透过被测透镜的干涉条纹计算被测透镜的折射率，干涉条纹易受环境干扰和样品面型缺陷影响，而且必须采用相干光源，限制了其在某些红外领域的应用；成像法通过测量光束透过透镜会聚点位置变化，利用成像公式计算样品的折射率，对于红外波段，受长波衍射效应影响汇聚点定焦精度较低。由此可见，目前现有透镜元件折射率测量方法应用到红外波段测量精度较低。

综上所述，现有折射率测量技术应用于透镜元件折射率测量存在以下突出问题：

1)要求被测样品为指定形状，需要进行采样和复杂制样，不适用普通透镜元件折射率测量；

2)仅能直接测量特定波长条件下的折射率，需要换算得到其他波长条件下的折射率，换算过程复杂，不能直接测量；

3)测量精度较低，在近红外波段测量精度仅达到10^-3量级；

而透镜元件折射率的准确测量对于光学加工、空间遥感、导航控制、激光加工等领域研究具有重要的意义。如何提高宽波段范围透镜元件折射率的测量效率和精度成为光学领域的一个重要技术问题。

差动共焦光路具有轴向响应曲线过零点与测量光束会聚点准确对应的特性，可对透明样品进行精确的层析定焦。基于此，本发明提出一种宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法与装置，其利用黑体光源通过波长选通系统生成指定波长照明点光源，利用差动共焦光路对被测红外透镜前后表面顶点进行层析定焦，测量得到被测透镜光学厚度，通过光线追迹算法计算得到透镜的元件折射率。

本发明提出一种宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法与装置可为可见和红外透镜元件折射的高精度非接触测量提供一个全新的有效技术途径。

发明内容

本发明的目的是克服现有折射率测量技术无法直接测量透镜元件折射率、测量过程复杂、精度低的缺陷，提出一种宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法与装置，以期实现可见和红外宽波段范围内任意波长条件下的透镜元件折射率的高精度非接触测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：利用宽波段差动共焦光路对被测透镜进行层析定焦，利用光学追迹算法计算被测透镜元件折射率，进而实现可见到红外宽波段范围内任意波长条件下被测透镜元件折射率的高精度非接触测量，包括以下步骤：

(a)调节宽波段点光源系统发射所需波长的发散光束，发散光束透过第一宽波段分光系统后被宽波段准直与会聚系统调制为空心会聚测量光束；测量光束照射到被测透镜上并被被测透镜反射回光路，经过宽波段准直与会聚系统被调制为空心会聚信号光束，空心会聚信号光束被第一宽波段分光系统反射进入差动共焦探测系统中，被第二宽波段分光系统分为透射和反射两束光，分别被位于宽波段准直与会聚系统焦点前和焦点后的第一探测器和第二探测器接收，第一探测器和第二探测器将探测得到的光强信号传输至控制与计算系统进行做差相减，得到差动共焦轴向响应曲线；

(b)轴向移动被测透镜，当前表面顶点位于空心会聚测量光束会聚点附近时，控制与计算系统获得前表面定焦曲线，当后表面顶点位于空心会聚测量光束会聚点附近时，控制与计算系统获得后表面定焦曲线，测量前表面定焦曲线的过零点与后表面定焦曲线过零点之间的轴向距离获得被测透镜的光学厚度d；

(c)使用如下公式计算被测样品的折射率n：

其中，其中r和t分别为被测透镜第一面曲率半径和几何厚度，ε为光束归一化内径，ρ为光瞳归一化半径，f₀为宽波段准直与会聚系统的物方焦距，f_c为宽波段准直与会聚系统的像方焦距，D为宽波段准直与会聚系统的通光口径

根据光学追迹算法，积分函数n(r,d,t D,f₀,f_c,ρ)中各变量满足如下关系：

根据测量得到的光学厚度d、测量光路参数、被测透镜的第一面曲率半径r和几何厚度t即可计算得到被测透镜元件折射率n；

(d)调节宽波段点光源系统发射其他所需波长，重复步骤(a)～(c)测量得到其他波长条件下的被测透镜的折射率。

本发明的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：前表面定焦曲线和后表面定焦曲线的过零点位置识别可通过模拟信号过零触发模式和离散数字信号拟合模式实现。

本发明的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：还可以通过光瞳滤波器调制宽波段点光源系统发射的发散光束光强分布，压缩空心会聚测量光束的会聚焦斑的焦深，提高定焦灵敏度。

本发明的一种宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于包括：宽波段点光源系统，位于宽波段点光源系统出射方向的光瞳滤波器、宽波段分光系统、宽波段准直与会聚系统、调整与驱动系统和位于宽波段分光系统反射方向的差动共焦探测系统以及控制与计算系统；其中宽波段点光源系统包括黑体光源和位于黑体光源出射方向的单色仪；宽波段准直与会聚系统包括沿着光路依次放置的空心抛物面会聚镜和空心抛物面准直镜；差动共焦探测系统包括第二宽波段分光系统、位于第二宽波段分光系统透射方向的第一探测器和反射方向的第二探测器，其中第一探测器和第二探测器在轴向分别相对于宽波段准直与会聚系统的像方焦点前后等量离焦,控制与计算系统用于处理差动共焦探测系统的光强信号、得到差动共焦轴向响应曲线、测量前表面定焦曲线的过零点与后表面定焦曲线过零点之间的轴向距离获得被测透镜的光学厚度d并计算得到被测透镜的折射率n。

本发明的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：所述调整与驱动系统用于承载被测透镜、调整被测透镜的位置和姿态、驱动被测透镜轴向移动并实时监控被测透镜的轴向位置。

本发明的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：光瞳滤波器包括位相型光瞳、幅值型光瞳或者复合型光瞳，用于调制测量光束的相位和强度分布，压缩聚焦空心会聚测量光束聚焦焦斑尺寸，提高对被测透镜的层析定焦灵敏度。

本发明的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：黑体光源包括硅碳灯黑体、面源黑体和卤素灯黑体，用于提供可见到红外宽波段照明光源照明。

本发明的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于单色仪包括光栅单色仪、棱镜单色仪和滤光片组，用于对黑体光源发射的宽波段照明光束进行波段选通，得到指定波长照明光束。

有益效果

本发明对比已有技术，具有以下优点：

1)将具有高层析定焦能力的差动共焦光路与光线追迹折射率计算算法结合，对被测透镜进行高灵敏层析定焦和高精度折射率计算，无需采样和制样，可直接对透镜元件折射率进行测量；

2)利用黑体光源结合波段选通技术发生可见到红外宽波段范围内任意波长照明点光源，直接测量样品指定波长条件下折射率，无需量值传递和换算，测量过程便捷、误差源少；

3)利用空心抛物面反射镜构建宽波段准直与会聚系统，适用波段范围宽、聚焦光束无色散、无像差，可提高光路测量波段范围及精度；

4)测量精度较高，可达到10^-5量级。

附图说明

图1为宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法示意图

图2为差动共焦轴向响应曲线示意图

图3为宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置示意图

图4为实施例1的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置示意图

图5为实施例2的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置示意图

其中：1-宽波段点光源系统，2-光瞳滤波器、3-第一宽波段分光系统、4-宽波段准直与会聚系统、5-被测透镜、6-调整与驱动系统、7-差动共焦探测系统、8-第二宽波段分光系统、9-第一探测器、10-第二探测器、11-控制与计算系统、12-差动共焦轴向响应曲线、13-黑体光源、14-单色仪、15-前表面定焦曲线、16-后焦面定焦曲线、17-轴向距离、18-空心抛物面会聚镜、19-空心抛物面准直镜、20-姿态调整系统、21-轴向驱动系统。

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。

本发明的核心方法如图1所示，以下实施例均是在图1基础上实现的。

实施例1

本发明实施例基于图4所示的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，该装置采用硅碳黑体光源13、光栅单色仪14构成图1中的宽波段点光源系统1。采用姿态调整系统20和轴向驱动系统21构成图1中的调整与驱动系统6，第一宽波段分光系统3和第二宽波段分光系统8采用宽波段分光片，第一探测器9和第二探测器10采用光电探测器。

如图4所示，宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，包括：硅碳黑体光源13、位于硅碳黑体光源13出射方向的光栅单色仪14，位于光栅单色仪14出射方向的光瞳滤波器2、第一宽波段分光片3、宽波段准直与会聚系统4的空心抛物面会聚镜18、空心抛物面准直镜19、调整与驱动系统6和位于宽波段分光片3反射方向的差动共焦探测系统7以及控制与计算系统11；其中差动共焦探测系统7包括第二宽波段分光片8、位于第二宽波段分光片8透射方向的第一光电探测器9和反射方向的第二光电探测器10，其中第一光电探测器9和第二光电探测器10在轴向分别相对于宽波段准直与会聚系统4的像方焦点前后等量离焦。

主要构成的功能如下：

宽波段点光源系统1包括硅碳黑体光源13、位于硅碳黑体光源13出射方向的光栅单色仪14，用于产生可见到红外宽波段范围内任意波长照明点光源。

调整与驱动系统6包括姿态调整系统20和轴向驱动系统21，姿态调整系统20用于承载被测透镜5、调整被测透镜5的位置和姿态，轴向驱动系统21用于驱动被测透镜5轴向移动并实时监控被测透镜5的轴向位置。

光瞳滤波器2用于调制测量光束的相位和强度分布，压缩聚焦空心会聚测量光束聚焦焦斑尺寸，提高对被测透镜5的层析定焦灵敏度。

控制与计算系统11用于处理差动共焦探测系统7的光强信号、得到差动共焦轴向相应曲线12、测量前表面定焦曲线15的过零点与后表面定焦曲线16过零点之间的轴向距离17获得被测透镜的光学厚度d并计算得到被测透镜5的折射率n。

对被测透镜进行高精度折射率测量的过程主要包括以下步骤：

(a)硅碳黑体光源13发射出可见到红外宽波段照明光束，调节光栅单色仪14选通生成所需波长点光源，点光源发射出发散红外光束，红外光束透过第一宽波段分光片3后透过空心抛物面会聚镜18的中心孔照射到空心抛物面准直镜19上，被空心抛物面准直镜19反射并准直为平行光，平行光照射到空心抛物面会聚镜18上被再次反射并会聚形成空心会聚测量光束，空心会聚测量光束透过空心抛物面准直镜19的中心孔，照射到被测透镜5上并被被测透镜5反射回光路，经过宽波段准直与会聚系统4被调制为空心会聚信号光束，空心会聚信号光束被第一宽波段分光片3反射进入差动共焦探测系统7中，被第二宽波段分光片8分为透射和反射两束光，分别被位于宽波段准直与会聚系统4焦点前和焦点后的第一光电探测器9和第二光电探测器10接收，第一光电探测器9和第二光电探测器10将探测得到的光强信号传输至控制与计算系统11进行做差相减，得到差动共焦轴向响应曲线12；

(b)轴向移动被测透镜5，当前表面顶点位于空心会聚测量光束会聚点附近时，控制与计算系统11获得前表面定焦曲线15，当后表面顶点位于空心会聚测量光束会聚点附近时，控制与计算系统11获得后表面定焦曲线16，测量前表面定焦曲线5的过零点与后表面定焦曲线16过零点之间的轴向距离17获得被测透镜的光学厚度d；

(c)使用如下公式计算被测样品5的折射率n：

其中，其中r和t分别为被测透镜5第一面曲率半径和厚度，ε为光束归一化内径，ρ为光瞳归一化半径，f₀为宽波段准直与会聚系统4的物方焦距，f_c为宽波段准直与会聚系统4的像方焦距，D为宽波段准直与会聚系统4的通光口径；

根据光学追迹算法，积分函数n(r,d,t,D,f₀,f_c,ρ)中各变量满足如下关系：

根据测量得到的光学厚度d、测量光路参数、被测透镜5的第一面曲率半径r和厚度t即可计算得到被测透镜元件折射率n；

(d)调节光栅单色仪14选通生成其他所需波长，重复步骤(a)～(c)测量得到其他波长条件下的被测透镜5的折射率。

实施例2

如图5所示的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置中，该装置采用硅碳黑体光源13、滤波片组单色仪14构成图1中的宽波段点光源系统1，采用五维调整架作为姿态调整系统20和气浮导轨作为轴向驱动系统21构成图1中的调整与驱动系统6。

其余测量方法与实施例1相同。

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 (8)

1.一种宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：利用宽波段差动共焦光路对被测透镜进行层析定焦，利用光学追迹算法计算被测透镜元件折射率，进而实现可见到红外宽波段范围内任意波长条件下被测透镜元件折射率的高精度非接触测量，包括以下步骤：

(a)调节宽波段点光源系统(1)发射所需波长的发散光束，发散光束透过第一宽波段分光系统(3)后被宽波段准直与会聚系统(4)调制为空心会聚测量光束；测量光束照射到被测透镜(5)上并被被测透镜(5)反射回光路，经过宽波段准直与会聚系统(4)被调制为空心会聚信号光束，空心会聚信号光束被第一宽波段分光系统(3)反射进入差动共焦探测系统(7)中，被第二宽波段分光系统(8)分为透射和反射两束光，分别被位于宽波段准直与会聚系统(4)焦点前和焦点后的第一探测器(9)和第二探测器(10)接收，第一探测器(9)和第二探测器(10)将探测得到的光强信号传输至控制与计算系统(11)进行做差相减，得到差动共焦轴向响应曲线(12)；

(b)轴向移动被测透镜(5)，当前表面顶点位于空心会聚测量光束会聚点附近时，控制与计算系统(11)获得前表面定焦曲线(15)，当后表面顶点位于空心会聚测量光束会聚点附近时，控制与计算系统(11)获得后表面定焦曲线(16)，测量前表面定焦曲线(15)的过零点与后表面定焦曲线(16)过零点之间的轴向距离(17)获得被测透镜的光学厚度d；

(c)使用如下公式计算被测样品(5)的折射率n：

其中，其中r和t分别为被测透镜(5)第一面曲率半径和几何厚度，ε为光束归一化内径，ρ为光瞳归一化半径，f₀为宽波段准直与会聚系统(4)的物方焦距，f_c为宽波段准直与会聚系统(4)的像方焦距，D为宽波段准直与会聚系统(4)的通光口径，

根据光学追迹算法，积分函数n(r,d,t,D,f₀,f_c,ρ)中各变量满足如下关系：

根据测量得到的光学厚度d、测量光路参数、被测透镜(5)的第一面曲率半径r和几何厚度t即可计算得到被测透镜元件折射率n；

(d)调节宽波段点光源系统(1)发射其他所需波长，重复步骤(a)～(c)测量得到其他波长条件下的被测透镜(5)的折射率。

2.根据权利要求1所述的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：前表面定焦曲线(15)和后表面定焦曲线(16)的过零点位置识别可通过模拟信号过零触发模式和离散数字信号拟合模式实现。

3.根据权利要求1所述的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：还可以通过光瞳滤波器(2)调制宽波段点光源系统(1)发射的发散光束光强分布，压缩空心会聚测量光束的会聚焦斑的焦深，提高定焦灵敏度。

4.一种宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于包括：宽波段点光源系统(1)，位于宽波段点光源系统(1)出射方向的光瞳滤波器(2)、宽波段分光系统(3)、宽波段准直与会聚系统(4)、调整与驱动系统(6)和位于宽波段分光系统(3)反射方向的差动共焦探测系统(7)以及控制与计算系统(11)；其中宽波段点光源系统(1)包括黑体光源(13)和位于黑体光源(13)出射方向的单色仪(14)；宽波段准直与会聚系统(4)包括沿着光路依次放置的空心抛物面会聚镜(18)和空心抛物面准直镜(19)；差动共焦探测系统(7)包括第二宽波段分光系统(8)、位于第二宽波段分光系统(8)透射方向的第一探测器(9)和反射方向的第二探测器(10)，其中第一探测器(9)和第二探测器(10)在轴向分别相对于宽波段准直与会聚系统(4)的像方焦点前后等量离焦；控制与计算系统(11)用于处理差动共焦探测系统(7)的光强信号、得到差动共焦轴向响应曲线(12)、测量前表面定焦曲线(15)的过零点与后表面定焦曲线(16)过零点之间的轴向距离(17)获得被测透镜的光学厚度d并计算得到被测透镜(5)的折射率n。

5.根据权利4所述的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：所述调整与驱动系统(6)用于承载被测透镜(5)、调整被测透镜(5)的位置和姿态、驱动被测透镜(5)轴向移动并实时监控被测透镜(5)的轴向位置。

6.根据权利要求4所述的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：光瞳滤波器(2)包括位相型光瞳、幅值型光瞳或者复合型光瞳，用于调制测量光束的相位和强度分布，压缩聚焦空心会聚测量光束聚焦焦斑尺寸，提高对被测透镜(5)的层析定焦灵敏度。

7.根据权利要求4所述的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：黑体光源(13)包括硅碳灯黑体、面源黑体和卤素灯黑体，用于提供可见到红外宽波段照明光源照明。

8.根据权利要求4所述的宽波段差动共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于单色仪(14)包括光栅单色仪、棱镜单色仪和滤光片组，用于对黑体光源(13)发射的宽波段照明光束进行波段选通，得到指定波长照明光束。