CN107782697B - 宽波段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，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、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

折射率测量在光学加工、精密检测和测试计量等领域应用非常广泛，虽然最小偏向角法、棱镜耦合法和阿贝法等传统测量技术已经较为成熟，精度已经可以达到10^-6量级，但是需要将被测材料加工成特定形状，对于光学领域中最常用的透镜的折射率无法直接测量，只能对加工前的材料进行采样测量，利用材料折射率进行量值传递，作为加工后透镜元件折射率使用，但是透镜从加工、装配到使用过程中，受温度变化、应力释放等影响，折射率会发生明显变化，尤其对于空间成像、激光加工等领域中的红外元件，变化更为明显；并且为适应不同系统工作波长的差异，还需要将测量得到的折射率标准值进行波长换算，得到所需波长条件下的折射率，该过程复杂繁琐，引入较多计算误差，计算精度较低。

透镜的折射率是决定光学系统的关键指标，准确测量工作波长条件下的透镜元件折射率对于保证光学系统性能十分重要。

在元件折射率的测量领域中，目前提出的方法大多针对于平板和薄膜类样品，对于透镜元件的折射率测量报道的方法较少，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液体前后光束会聚点位置的变化，结合液体折射率计算透镜折射率，测量精度可达10^-3量级；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，测量精度约为5×10^-3；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，测量精度可达10^-3量级；

此外，现有技术尚无法实现在宽波段范围内指定波长的折射率测量，需要通过波长换算得到所需波长条件下的折射率。

综上所述，但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)目前方法大多测量透镜加工前的材料折射率，需要通过量值传递得到透镜折射率，测量过程复杂且传递精度低；

2)仅能直接测量一个波长条件下的折射率，不能实现宽波段范围内任意波长条件下折射率直接测量；

3)测量精度较低，在透镜折射率测量精度仅达到10^-3量级；

因此，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。

共焦光路轴向相应曲线峰值点与测量光束会聚点准确对应，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共焦红外透镜元件折射率测量方法与装置可为可见到红外宽波段范围内任意指定波长条件下的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；空心会聚测量光束照射到被测透镜上并被反射回光路，经过被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共焦探测系统中，经过针孔分被探测器接收，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处理，得到共焦轴向响应曲线；

(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峰值点与后表面定焦曲线峰值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透镜的折射率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,K(ρ)为光瞳面光强分布函数；

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。

本发明的宽波段共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：还可以通过滤波片滤除样品反射光中的其他波段杂散光，提高探测信噪比。

本发明的一种宽波段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；共焦探测系统包括位于宽波段准直与会聚系统的像方焦点位置的针孔和位于针孔后的探测器。

本发明的宽波段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。

本发明的宽波段共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：控制与计算系统用于处理共焦探测系统的光强信号、得到共焦轴向响应曲线、测量测量前表面定焦曲线的峰值点与后表面定焦曲线峰值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)将共焦层析定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为宽波段共焦红外透镜元件折射率测量方法示意图

图2为共焦轴向响应曲线示意图

图3为宽波段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-宽波段分束系统、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-共焦探测系统、8-针孔、9-探测器、10-滤波片、11-控制与计算系统、12-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，宽波段分光系统3采用宽波段分光片，探测器9采用光电探测器。

如图4所示，宽波段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、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；共焦探测系统7包括位于宽波段准直与会聚系统4的像方焦点位置的针孔8和位于针孔8后的探测器9。

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用于处理共焦探测系统7的光强信号、得到共焦轴向相应曲线12、测量前表面定焦曲线15的峰值点与后表面定焦曲线16峰值点之间的轴向距离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上并被反射回光路，经过被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反射进入共焦探测系统7中，经过针孔8被探测器9接收，探测器9将探测得到的光强信号传输至控制与计算系统11进行处理，得到共焦轴向响应曲线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的峰值点与后表面定焦曲线16峰值点之间的轴向距离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，M为探测器相对宽波段准直与会聚系统4像方焦点的轴向归一化离焦量,K(ρ)为光瞳面光强分布函数。

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 (9)

1.一种宽波段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；空心会聚测量光束照射到被测透镜(5)上并被反射回光路，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宽波段分光系统(3)反射进入共焦探测系统(7)中，经过针孔(8)被探测器(9)接收，探测器(9)将探测得到的光强信号传输至控制与计算系统(11)进行处理，得到共焦轴向响应曲线(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，传输至控制与计算系统(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，传输至控制与计算系统(11)获得后表面定焦曲线(16)，测量前表面定焦曲线(15)的峰值点与后表面定焦曲线(16)峰值点之间的轴向距离(17)获得被测透镜的光学厚度d；

(c)使用如下公式计算被测透镜(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,K(ρ)为光瞳面光强分布函数；

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。

3.根据权利要求1所述的宽波段共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：还可以通过滤波片(10)滤除样品反射光中的其他波段杂散光，提高探测信噪比。

4.一种宽波段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)；共焦探测系统(7)包括位于宽波段准直与会聚系统(4)的像方焦点位置的针孔(8)和位于针孔(8)后的探测器(9)。

5.根据权利要求4所述的宽波段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所述的宽波段共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：控制与计算系统(11)用于处理共焦探测系统(7)的光强信号、得到共焦轴向响应曲线(12)、测量前表面定焦曲线(15)的峰值点与后表面定焦曲线(16)峰值点之间的轴向距离(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。

8.根据权利要求4所述的宽波段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。

9.根据权利要求4所述的宽波段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)发射的波段照明光束进行波段选通，得到指定波长照明光束。

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