CN109187430B - 后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置 - Google Patents

后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置，属于光学精密测量技术领域。本方法利用后置光瞳遮挡一半测量光束，利用差动共焦响应曲线的绝对零点分别对被测透镜的前、后表面顶点进行精确定焦，通过光线追迹及其补偿模型求得折射率。本发明首次将后置分光瞳激光差动共焦技术用于透镜折射率的高精度检测，仅用一路探测器即可实现差动共焦定焦及透镜折射率测量，将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型以消除各定焦表面参数之间的影响，并通过线性拟合绝对零点附近的数据实现快速触发定焦。系统结构及装调过程大大简化，避免了更换被测镜可能导致的定焦精度下降，测量速度、精度及抗散射能力大大提升。

Description

后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置
技术领域
本发明涉及后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置，可用于透镜折射率的非接触式高精度测量，属于光学精密测量技术领域。
背景技术
球面透镜是光学系统中最重要的元件之一。球面透镜的折射率是其基本参数，直接决定透镜的焦距、主平面位置等性能参数，因而球面透镜折射率测量一直是光学测量中最基本的问题。目前测量玻璃折射率的主要方法是：V棱镜法和直角照射法。这两种方法的测量精度很高，但是需要将透镜材料加工成特定的形状，因此无法直接用于透镜折射率测量。上述两方法适用于制作透镜以前，预先对该批次玻璃材料的折射率进行测量时使用，但是由于玻璃材质具有一定的不均匀性，同一批次的玻璃折射率存在一定差异，这对于精密光学元件来说是不可忽略的，因此，对透镜折射率进行非接触高精度测量十分必要。
为此，国内学者提出了无损的测量方法，发表的文献主要包括：《武汉测绘科技大学学报》的《透镜折射率的高精度非接触测量方法》，《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》。此类技术主要采用了浸液法，即调制不同折射率液体的混合比例使混合液体的折射率与被测透镜匹配，再利用阿贝法等方法测量混合液的折射率，从而得到被测透镜的折射率。该方法的测量精度比传统透镜成像测量方法有所提高，但是配置折射率液的过程繁琐，难以实现工程化。
国外方面，Eduardo A.Barbosa等学者在文献《Refractive and geometric lenscharaterization through multi-wavelength digitalspeckle patterninterferometry》(Optics Communications,281,1022-1029,2008)中提出采用多模激光干涉的方法测量透镜的折射率。该方法测量过程简便，但是数据处理过程繁琐，干涉条纹易受环境干扰，测量精度不高。Hiroyuki Suhara在《Interferometric measurement of therefractive-index distribution in plastic lenses by use of computedtomography》(Applied Optics,41,25,2002)中提出使用浸液法与干涉法结合的方法测量透镜折射率。该方法的测量精度很高，但是需要使用复杂的温控系统，计算繁琐，而且测量样品的绝对折射率需要使用其他方法测量得到。
本发明人曾于2010年申请国家专利“基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法与装置”，通过差动共焦原理精确定焦透镜的前后表面顶点位置以及有、无被测镜时平面反射镜的位置，实现了透镜折射率的测量，并可同时测得透镜的折射率。但是必须使用两路探测器，并且这两路探测器的位置需保证离焦量相等，系统结构、装调过程比较复杂，装调不准所引入的误差可能较大；更换被测镜后，两探测器的离焦量可能需要重新调整。
本发明提出了一种后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置，使用后置光瞳遮挡一半的测量光束，收集另一半测量光束并利用分光瞳差动共焦探测系统获得差动共焦响应曲线，实现透镜折射率的高精度测量。相比于申请国家发明专利“基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法与装置”，本发明仅用一路探测器实现了激光差动共焦定焦及测量，既避免了离焦量调整不准确所引入的测量误差，又避免了测量不同被测镜可能导致的定焦灵敏度下降，同时系统结构和装调大大简化。
发明内容
本发明的目的是为了解决球面透镜折射率高精度测试的难题，提供一种后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置，本发明提出通过后置光瞳收集测量光束，并使用分光瞳差动共焦探测系统进行探测的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的后置分光瞳差动共焦透镜折射率测量方法，包括以下步骤：
步骤一、光源发出的光经分束镜、准直透镜和会聚透镜后形成测量光束照射在被测透镜上；
步骤二、调整被测透镜，使被测透镜与测量光束共光轴，由被测透镜反射回来的光通过会聚透镜和准直透镜后被分束镜反射，被分光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统；
步骤三、沿光轴方向移动被测透镜，使测量光束的焦点与被测透镜的前表面顶点位置重合；在该位置扫描被测透镜，由分光瞳差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜的前表面顶点的位置，并将此时前表面顶点位置记为Z1；
步骤四、继续沿光轴方向移动被测透镜，使测量光束的焦点与被测透镜的后表面顶点位置重合；在后表面顶点位置扫描被测透镜，由分光瞳差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜的后表面顶点位置，并将此时后表面顶点位置记为Z2；
步骤五、根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到透镜折射率n满足以下公式：
Figure BDA0001862909530000031
代入已知参数：测量光束的数值孔径角α1、被测透镜的前表面曲率半径r1、空气折射率nair、被测透镜中心厚度t和两次定焦位置之间的距离d1＝|Z2-Z1|，即可计算得出被测透镜的折射率n。
本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，消除各层析定焦表面参数间的相互影响，进而得出透镜折射率的计算公式。如图3和公式(2)所示，设ρB为环形光瞳的最大半径，ηρB为环形光瞳的最小半径，ρ为参考测量光线的半径，SN代表被测镜组内第N个表面，ON为第N个表面SN的顶点，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的轴向间隙，iN和iN′分别为光线在第N个表面SN的入射角和出射角，lF'为当前状态下标准会聚镜的像方顶焦距。其中，lN为SN顶点到SN入射光线与光轴交点的距离，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN为SN入射光线与光轴的夹角，uN′为SN出射光线与光轴的夹角，z为测量光束会聚点的位置坐标。
Figure BDA0001862909530000032
根据以上公式可推导得出透镜折射率的计算公式(1)，进一步实现透镜折射率的精确测量。
本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，所述分光瞳为D形分光瞳或圆形分光瞳，实现后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量。
本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，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，降低测量元件参数时波相差对测量光束的影响，减少测量误差。
本发明所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得直线的绝对零点来进行快速触发定焦，提升测量精度、速度和抗散射能力。
本发明还提供了一种后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，包括点光源、分束镜、环形光瞳、准直透镜、会聚透镜、后置光瞳、分光瞳差动共焦探测系统，主控计算机、电机驱动系统、直线导轨和五维调整架；点光源发出的测量光束依次经过分束镜、环形光瞳、准直透镜和会聚透镜后照射在被测透镜；由被测透镜反射回来的光通过会聚透镜、准直透镜和环形光瞳后经分光瞳进入分光瞳差动共焦探测系统；主控计算机控制电机驱动系统进而控制五维调整架的移动，分光瞳激光差动共焦探测系统将探测结果传输给主控计算机。
本发明的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，所述后置光瞳为D形后置光瞳或圆形后置光瞳。
本发明的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，所述分光瞳差动共焦探测系统由第一针孔、第二针孔和二象限探测器组成；其中第一针孔和第二针孔关于光轴对称；二象限探测器上的第一探测象限和第二探测象限关于光轴对称；
本发明的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，所述分光瞳差动共焦探测系统还可由显微物镜和CCD组成；在CCD的探测器靶面上设置第一虚拟针孔和第二虚拟针孔，第一虚拟针孔和第二虚拟针孔关于光轴对称。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1首次提出利用后置分光瞳差动共焦技术对被测透镜前后表面顶点位置进行精确定焦并测量透镜折射率，定焦精度更高，系统更加简化；
2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。
3将差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立了光线追迹及其补偿模型，消除了被测透镜前表面参数对测量结果的影响；
4采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得直线的绝对零点来进行快速触发定焦，提升测量精度、速度和抗散射能力。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1相比于共焦透镜折射率测量方法，该方法由于采用差动共焦定焦技术，其测量精度显著提高；
2与传统差动共焦透镜折射率测量方法相比，本方法只使用一路探测器实现了差动共焦定焦及测量，系统结构和调整过程简单，调整不准所引入的误差更小；
3与传统差动共焦透镜折射率测量方法相比，建立了光线追迹及其补偿模型，消除了被测透镜前表面参数对测量结果的影响，测量结果更精确；
4与传统差动共焦透镜折射率测量方法相比，采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得直线的绝对零点来进行快速触发定焦，提升测量精度、速度和抗散射能力。
附图说明
图1为本发明后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法示意图；
图2为本发明光线追迹及其补偿模型示意图；
图3为本发明线性拟合触发定焦示意图；
图4为本发明的实施例1的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置示意图；
图5为本发明的实施例2的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置示意图；
其中：1-点光源、2-分束镜、3-环形光瞳、4-准直透镜、5-会聚透镜、6-被测透镜、7-D形后置光瞳、8-第一针孔、9-第二针孔、10-二象限探测器、11-分光瞳差动共焦探测系统、12-艾里斑、13-第一探测象限、14-第二探测象限、15-第一共焦响应曲线、16-第二共焦响应曲线、17-差动共焦响应曲线、18-差动共焦响应曲线线性段、19-绝对零点位置、20-显微物镜、21-CCD、22-激光器、23-光纤、24-主控计算机、25-电机驱动系统、26-直线导轨、27-五维调整架、28-第一虚拟针孔、29-第二虚拟针孔、30-圆形后置光瞳。
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。
本发明利用后置分光瞳激光差动共焦响应曲线的过零点分别精确定位被测透镜的前表面顶点位置和后表面顶点位置进行精确定焦，进而得出待测透镜折射率。同时在测量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。
实施例1
如图4所示，后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，包括激光器22、光纤23和点光源1，依次放在点光源1出射光方向的分束镜2、准直透镜4和会聚透镜5，还包括放置在分束镜2反射方向的D形后置光瞳7以及由显微物镜20和CCD21构成的分光瞳差动共焦探测系统11；主控计算机24与电机驱动系统25相连接，使其驱动被测透镜6在直线导轨26上沿着光轴方向进行扫描。
当使用该装置测量透镜折射率时，使用该系统中的分光瞳差动共焦探测系统11来对被测透镜6的前表面顶点位置及后表面顶点位置进行高精度定位，进而测得其折射率。
通常分光瞳差动共焦探测系统11有两种形式，一种为附图1所示的运用针孔探测的分光瞳差动共焦探测系统，另一种为附图4所示的运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦探测系统。由于运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦探测系统较运用针孔探测的分光瞳差动共焦探测系统具有装调方便、易于调整被测透镜的优点，所以此处采用了运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦探测系统。此时，进入分光瞳差动共焦探测系统11的光在显微物镜20的物面上会聚为艾里斑，被显微物镜成像到CCD21的靶面上。在CCD上设置两个关于光轴对称的探测区域，即第一虚拟针孔28和第二虚拟针孔29。由第一虚拟针孔28和第二虚拟针孔29分别记录的光强信号被传入主控计算机24，分别得到第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16，将第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16差动相减，即可得出差动共焦响应曲线17，并利用其绝对零点来精确定焦，进一步测得透镜折射率。
装置的测量步骤如下：
(1)启动主控计算机24中的测量软件，输入相关参数，其主要包括被测透镜6前表面曲率半径r1＝90.7908mm、空气折射率n0＝1和被测透镜6中心厚度d＝4.0068mm；
(2)打开激光器22，激光器22发出的光线经光纤23传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分束镜2、准直透镜4和会聚透镜5后形成测量光束；
(3)将被测透镜6固定在五维调整架27上，测量光束照射在被测透镜6的前表面上，由被测透镜6前表面反射回来的光通过会聚透镜5和准直透镜4后，由分束镜2反射，通过D形后置光瞳7后进入分光瞳差动共焦探测系统；
(3)通过直线导轨26将被测透镜6沿光轴移动至测量光束焦点与被测透镜6前表面顶点位置相接近，观察CCD21中由被测透镜6前表面反射回来的光斑，调整五维调整架27使光斑中点位于CCD21的中心位置；
(4)主控计算机24的测量软件通过电机驱动系统25控制直线导轨26轴向平移，进而带动被测透镜6沿光轴方向扫描，当测量光束焦点扫过被测透镜6的前表面顶点位置时，测量软件通过分光瞳差动共焦探测系统11探测得到差动共焦响应曲线17，对差动共焦响应曲线线性段18进行直线拟合，通过拟合直线的绝对零点位置19来确定测量光束焦点与被测透镜6的前表面顶点位置相重合，记录此时被测透镜6的位置Z1＝0.0018mm；
(5)继续移动被测透镜6沿光轴方向扫描，当测量光束焦点扫过被测透镜6的后表面顶点位置时，测量软件通过分光瞳差动共焦探测系统11探测得到差动共焦响应曲线17，对差动共焦响应曲线线性段18进行直线拟合，通过拟合直线的绝对零点位置19来确定测量光束焦点与被测透镜6的后表面顶点位置相重合，记录此时被测透镜6的位置Z2＝-2.6745mm；
(6)主控计算机24根据所有已知参数计算出被测透镜6的折射率n＝1.5143。
实施例2
本实施例中的测量步骤与实施例一相同，如图5所示为本实施例后置分光瞳激光差动共焦透镜中心测量装置图，图4中的D型后置光瞳7替换为此处的圆形后置光瞳30。
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.后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(4)和会聚透镜(5)后形成测量光束照射在被测透镜(6)上；
步骤二、调整被测透镜(6)，使被测透镜(6)与测量光束共光轴，由被测透镜(6)反射回来的光通过会聚透镜(5)和准直透镜(4)后被分束镜(2)反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统(11)；
步骤三、沿光轴方向移动被测透镜(6)，使测量光束的焦点与被测透镜(6)的前表面顶点位置重合；在该位置扫描被测透镜(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜(6)的前表面顶点的位置，并将此时前表面顶点位置记为Z1；
步骤四、继续沿光轴方向移动被测透镜(6)，使测量光束的焦点与被测透镜(6)的后表面顶点位置重合；在后表面顶点位置扫描被测透镜(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜(6)的后表面顶点位置，并将此时后表面顶点位置记为Z2；
步骤五、根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到透镜折射率n满足以下公式：
Figure FDA0002446411790000011
代入已知参数：测量光束的数值孔径角α1、被测透镜的前表面曲率半径r1、空气折射率nair、被测透镜中心厚度t和两次定焦位置之间的距离d1＝|Z2-Z1|，即可计算得出被测透镜的折射率n。
2.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，消除各层析定焦表面参数间的相互影响，进而得出透镜折射率的计算公式；如公式2所示，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN-1为第N-1个表面SN-1与第N个表面SN之间的轴向间隙，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN′为SN出射光线与光轴的夹角；
Figure FDA0002446411790000021
根据以上公式可推导得出透镜折射率的计算公式(1)，进一步实现透镜折射率的精确测量。
3.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：所述后置光瞳为D形后置光瞳(7)或圆形后置光瞳(30)，实现后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量。
4.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：在光路中增加环形光瞳(3)对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波相差对测量光束的影响，减少测量误差。
5.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得直线的绝对零点来进行快速触发定焦，提升定焦精度、定焦速度和抗散射能力。
6.后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，包括点光源，其特征在于：包括分束镜(2)、环形光瞳(3)、准直透镜(4)、会聚透镜(5)、后置光瞳、分光瞳差动共焦探测系统(11)，主控计算机(24)、电机驱动系统(25)、直线导轨(26)和五维调整架(27)；点光源(1)发出的测量光束依次经过分束镜(2)、环形光瞳(3)、准直透镜(4)和会聚透镜(5)后照射在被测透镜(6)；由被测透镜(6)反射回来的光通过会聚透镜(5)、准直透镜(4)和环形光瞳(3)后经后置光瞳进入分光瞳差动共焦探测系统(11)；主控计算机(24)控制电机驱动系统(25)进而控制五维调整架(27)的移动，分光瞳激光差动共焦探测系统(11)将探测结果传输给主控计算机(24)。
7.根据权利要求6所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，其特征在于：所述后置光瞳为D形后置光瞳(7)或圆形后置光瞳(30)。
8.根据权利要求6所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，其特征在于：所述分光瞳差动共焦探测系统(11)由第一针孔(8)、第二针孔(9)和二象限探测器(10)组成；其中第一针孔(8)和第二针孔(9)关于光轴对称；二象限探测器(10)上的第一探测象限(13)和第二探测象限(14)关于光轴对称。
9.根据权利要求6所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，其特征在于：所述分光瞳差动共焦探测系统(11)还可由显微物镜(20)和CCD(21)组成；在CCD(21)的探测器靶面上设置第一虚拟针孔(28)和第二虚拟针孔(29)，第一虚拟针孔(28)和第二虚拟针孔(29)关于光轴对称。
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