CN109540474B - 后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法与装置，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，使用分光瞳差动共焦探测系统对测量光束进行探测，得到差动共焦响应曲线，利用差动共焦响应曲线的绝对零点分别对被测透镜的表面顶点位置和焦点位置进行精确定焦，得到被测透镜的顶焦距，并进一步计算得出被测透镜的焦距。本发明首次将后置分光瞳激光差动共焦技术用于透镜焦距的高精度检测，仅用一路探测器即可实现差动共焦定焦及焦距测量，避免了更换被测镜可能导致的定焦精度下降，提高了测量精度；对差动共焦响应曲线零点附近的数据进行线性拟合，实现快速触发定焦及测量，使测量速度、精度及抗散射能力大大提升。

Description

后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法与装置

技术领域

本发明涉及后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法与装置，可用于透镜焦距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

焦距测量一直是一个重要的透镜参数测量专题。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 ofAmerica》中的《Focal length measurementsforthe National Ignition Facility large lenses》、发表在《APPLIED OPTICS》中的《Talbot interferometry formeasuring the focal length ofa lens》等，本发明人也曾在《OPTICS EXPRESS》中发表《Laser differential confocal ultra-long focal lengthmeasurement》。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。

本发明人于2012年申请中国专利“反射式差动共焦透镜焦距测量方法”(专利号：201210011999.0)，该方法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，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点。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焦距测量方法与装置，利用后置光瞳遮挡一半测量光束，并利用分光瞳差动共焦探测系统进行探测，仅使用一路探测器实现了差动共焦定焦和焦距的高精度测量。与中国发明专利“反射式差动共焦透镜焦距测量方法”(专利号：201210011999.0)相比，本发明仅用一路探测器实现了激光差动共焦焦距测量，同时系统结构和装调大大简化；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，因此测量精度更高。

发明内容

本发明的目的是为了解决透镜顶焦距和焦距的高精度测试不理想的问题，提供后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法与装置，该方法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，进而实现精确定焦和透镜顶焦距、焦距的高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法，包括以下步骤：

步骤一、点光源发出的光经分束镜、准直透镜和被测透镜后形成测量光束照射在平面反射镜上；由平面反射镜表面反射，反射回来的光经被测透镜和准直透镜后被分束镜反射，被后置光瞳遮挡一半后聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统；

步骤二、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；

步骤三、沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的聚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，由分光瞳差动共焦探测系统测得差动共焦响应曲线，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；

步骤四、继续沿光轴方向移动平面反射镜，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，由分光瞳差动共焦探测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；

步骤五、根据上述两次定焦得到的位置z₁、z₂之间的距离d，即能够计算被测透镜的顶焦距l_F′＝2d；

步骤六、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，能够间接测得被测透镜的焦距：

本发明的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法，所述后置光瞳为D形后置光瞳或圆形后置光瞳，实现后置分光瞳激光差动共焦焦距测量。

本发明的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法，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。

本发明的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法，采用差动共焦响应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、测量速度和抗散射能力。

本发明还提供了一种后置分光瞳激光差动共焦焦距测量装置，包括点光源，其特征在于：包括依次放置在点光源出射光方向的分束镜、环形光瞳、准直透镜、被测透镜、平面反射镜，位于分束镜反射方向的后置光瞳、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、准直透镜和被测透镜后照射在平面反射镜；由平面反射镜反射回来的光通过被测透镜、准直透镜和环形光瞳后经后置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焦距测量装置，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焦距测量装置，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焦距测量装置，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表面进行精确定焦并测量透镜焦距，测量精度更高，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.本方法采用差动共焦响应曲线零点附近的测量数据进行线性拟合来进行触发定焦，显著提升了测量精度、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.相比于激光共焦焦距测量方法，本方法由于采用差动共焦定焦技术，其测量精度显著提高；

2.相比于传统的差动共焦焦距测量方法，本方法仅使用一路探测器即可得到差动共焦响应曲线，系统结构和装调过程简化，由装调不准引入的测量误差降低；

3.相比于传统的差动共焦焦距测量方法，本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来进行触发定焦，显著提升了测量精度、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焦距测量方法示意图；

图2为本发明线性拟合触发定焦示意图；

图3为本发明的实施例1的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法与装置示意图；

图4为本发明的实施例2的后置分光瞳激光差动共焦焦距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-被测透镜、6-平面反射镜、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差动共焦响应曲线的零点分别精确定位被测透镜的表面顶点和焦点，进而得出被测透镜的顶焦距，并进一步计算得出被测透镜的焦距。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3所示，后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法与装置，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和被测透镜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，使其驱动平面反射镜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焦距时，使用该系统中的分光瞳差动共焦测量系统11来对被测透镜5的表面顶点以及焦点进行高精度定位，进而测得其顶焦距，并计算得出被测透镜5的焦距。

通常分光瞳差动共焦测量系统11有两种形式，一种为运用针孔探测的分光瞳差动共焦测量系统，另一种为运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦测量系统。由于运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦测量系统较运用针孔探测的分光瞳差动共焦测量系统具有装调方便、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测量系统。此时，进入分光瞳差动共焦测量系统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CCD21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，将两光强信号差动相减，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，进一步测得透镜顶焦距及焦距。

装置的测量步骤如下：

(a)启动主控计算机24中的测量软件，打开激光器22，激光器22所发出的光经光纤23传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分束镜2和准直透镜4后形成平行光束；

(b)将平面反射镜6放置于五维调整架27上，通过五维调整架27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4和平面反射镜6之间，调整被测透镜5，使其与准直透镜4共光轴。平行光照射在被测透镜5上，由被测透镜5会聚形成测量光束照射在平面反射镜6上；

(d)主控计算机24中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的聚焦焦点相接近，然后在该位置附近扫描平面反射镜6，平面反射镜6反射的光束经被测透镜5、准直透镜4后被分束镜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11，测量软件通过分光瞳差动共焦探测系统11采集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＝1.1103mm；

(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，测量软件再次通过分光瞳差动共焦探测系统11采集得到差动共焦响应曲线17。通过拟合差动共焦响应曲线线性段18，通过绝对零点位置19来确定测量光束的焦点与被测透镜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＝49.8460mm；

(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＝49.8460-1.1103mm＝48.7357mm，进而可得到被测透镜5的顶焦距l_F′＝2d＝2×48.7357mm＝97.4714mm。

实施例2

如图4所示，后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法与装置，其与图3实施例中的后置分光瞳差动共焦焦距测量装置的区别在于将后置光瞳由D形后置光瞳7替换为圆形后置光瞳30。

装置的测量步骤与实施例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.后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法，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)和被测透镜(5)后形成测量光束照射在平面反射镜(6)上；由平面反射镜(1)表面反射，反射回来的光经被测透镜(5)和准直透镜(4)后被分束镜(2)反射，被后置光瞳遮挡一半后聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统(11)；

步骤二、调整被测透镜(5)，使其与准直透镜(4)共光轴，准直透镜(4)将点光源(1)产生的光准直成平行光，平行光照射在被测透镜(5)上，由被测透镜(5)会聚形成测量光束照射在平面反射镜(6)上，调整平面反射镜(6)，使其与准直透镜(4)共光轴；

步骤三、沿光轴方向移动平面反射镜(6)，使测量光束的聚焦点与平面反射镜(6)表面接近，在该位置附近扫描平面反射镜(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)测得差动共焦响应曲线(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，记录此时平面反射镜(6)的位置z₁；

步骤四、继续沿光轴方向移动平面反射镜(6)，使测量光束由平面反射镜(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)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)测得差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的零点来确定测量光束的焦点与被测透镜(5)表面相重合，进而精确确定被测透镜(5)表面顶点位置，记录此时平面反射镜(6)的位置z₂；

步骤五、根据上述两次定焦得到的位置z₁、z₂之间的距离d，即能够计算被测透镜(1)的顶焦距l_F′＝2d；

步骤六、根据被测透镜(5)前表面曲率半径r₁、后表面曲率半径r₂、折射率n和厚度b，能够间接测得被测透镜的焦距：

2.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法，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，实现后置分光瞳激光差动共焦焦距测量。

3.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法，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。

4.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量方法，其特征在于：采用差动共焦响应曲线(17)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、测量速度和抗散射能力。

5.后置分光瞳激光差动共焦焦距测量装置，包括点光源(1)，其特征在于：包括依次放置在点光源(1)出射光方向的分束镜(2)、环形光瞳(3)、准直透镜(4)、被测透镜(5)、平面反射镜(6)，位于分束镜(2)反射方向的后置光瞳、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)和被测透镜(5)后照射在平面反射镜(6)；由平面反射镜(6)反射回来的光通过被测透镜(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)。

6.根据权利要求5所述的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量装置，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)。

7.根据权利要求5所述的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量装置，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。

8.根据权利要求5所述的后置分光瞳激光差动共焦焦距测量装置，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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