CN109991191B - 双边错位差动共焦透镜折射率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种双边错位差动共焦透镜折射率测量方法。该方法在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域并将其探测的两条共焦特性曲线通过相减处理来锐化共焦特性曲线，其次将锐化共焦特性曲线进行双边错位差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，然后利用该双边错位差动共焦特性曲线零点与共焦测量系统焦点精确对应这一特性对被测透镜顶点位置进行高精度定焦寻位，最后通过光线追迹补偿计算来精确得到透镜折射率，实现透镜折射率的高精度测量。该方法与已有的透镜折射率测量方法相比，具有测量精度高、抗环境干扰能力强和结构简单等优势，在光学精密测量技术领域具有广泛的应用前景。

Description

双边错位差动共焦透镜折射率测量方法

技术领域

本发明涉及双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，尤其涉及用于透镜折射率的非接触式高精度测量方法，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，EduardoA.Barbosa等学者在文献《Refractive and geometric lenscharaterization through multi-wavelength digitalspeckle pattern interferometry》(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 the refractive-index distribution in plastic lenses by use of computed tomog raphy》(AppliedOptics,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”，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。

为了进一步提高透镜折射率的测量精度，本发明提出了一种双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，该方法通过相减处理锐化共焦特性曲线，通过锐化共焦特性曲线的双边错位差动相减处理得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，然后利用该双边错位差动共焦特性曲线零点对被测透镜折射率测量顶点位置进行高精度定焦寻位，最后通过光线追迹补偿计算来精确得到透镜的折射率，实现透镜折射率的高精度测量。

发明内容

为了解决透镜折射率测量中高精度定焦难题，本发明公开了双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，该方法的核心思想是：在共焦测量光路系统中，通过大、小虚拟针孔共焦特性曲线的横向相减处理来锐化共焦响应特性曲线，通过锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，进而提高透镜折射率测量中透镜顶点位置的定焦精度，以期实现透镜折射率的高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域并将其探测的两条共焦特性曲线通过相减处理来锐化共焦特性曲线，其次将锐化共焦特性曲线进行双边错位差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，然后利用该双边错位差动共焦特性曲线零点与共焦测量系统焦点精确对应的特性对被测透镜折射率测量顶点位置进行高精度定焦寻位，最后通过光线追迹补偿计算来精确得到透镜的折射率，实现透镜折射率的高精度测量。

本发明公开的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，包括以下步骤：

a)打开点光源，调整被测透镜使其与测量物镜和准直透镜共光轴，点光源发出的光经分束镜、准直透镜和测量物镜后汇聚成测量光束照射在被测透镜上，被测透镜反射的测量光束再经测量物镜和准直透镜后被分束镜反射进入到横向相减共焦探测系统，形成的测量艾里斑被CCD探测器探测；

b)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顶点A位置重合；在该透镜的顶点A位置附近相对轴向扫描测量物镜或被测透镜，将横向相减共焦探测系统中大虚拟针孔探测域探测到的大虚拟针孔共焦特性曲线I_B(z)和小虚拟针孔探测域探测到的小虚拟针孔共焦特性曲线I_S(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

c)将锐化共焦特性曲线沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线，并使锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦特性曲线的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦特性曲线分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到第一错位相减差动共焦特性曲线I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)，利用差动共焦线性拟合直线对第一错位相减差动共焦特性曲线的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线S/2位置的回移差动共焦拟合直线的移位拟合直线零点来精确确定测量光束的焦点与被测透镜的顶点重合的位置，进而得到被测透镜的透镜顶点A位置Z₁；

d)继续沿光轴方向移动测量物镜或被测透镜，使测量光束的焦点与被测透镜的后表面顶点B重合；在所述被测透镜顶点的B位置附近轴向扫描测量物镜或被测透镜，由横向相减共焦探测系统通过处理测得的测量艾里斑得到锐化共焦特性曲线后再进行双边错位相减处理，得到与测量物镜焦点附近对应的第二错位相减差动共焦特性曲线，主控计算机按照步骤c)通过对第二错位相减差动共焦特性曲线进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点精确确定被测透镜的后表面顶点B的位置，记录此时被测透镜的后表面顶点B的位置Z₂；

e)根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到被测透镜的折射率n满足以下公式：

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和中心厚度t、空气折射率n_air和两次定焦位置之间的距离d₁＝|Z₂-Z₁|，即得出被测透镜的折射率n。

本发明所述的双边错位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，进而得出被测透镜的折射率的计算公式。如公式(2)所示，r_N为第N个表面S_N的曲率半径，n_N为第N个表面S_N与第N+1个表面S_N+1之间的材料折射率，d_N-1为第N-1个表面S_N-1与第N个表面S_N之间的轴向间隙，l_N′为S_N顶点到S_N出射线与光轴交点的距离，u_N′为S_N出射光线与光轴的夹角。

根据以上公式推导得出被测透镜折射率计算的公式(1)，进一步实现被测透镜的折射率精确测量。

本发明所述的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，通过横向相减共焦探测系统得到锐化共焦特性曲线的方法如下：

步骤一、在被测透镜扫描过程中，通过CCD探测器探测测量艾里斑，以测量艾里斑的重心为中心，在CCD探测器每帧探测图像上选定预设大小的大虚拟针孔探测域，将大虚拟针孔探测域中每个像素上的强度进行积分，得出大虚拟针孔共焦特性曲线；

步骤二、同时以CCD探测器探测的测量艾里斑的重心为中心，选择另一个小虚拟针孔探测域，所述小虚拟针孔探测域的尺寸小于所述大虚拟针孔探测域的尺寸，积分小虚拟针孔探测域的强度得到另一条小虚拟针孔共焦特性曲线，小虚拟针孔共焦特性曲线的半高宽和峰值强度均低于大虚拟针孔探测共焦特性曲线的半高宽和峰值强度；

步骤三、将大虚拟针孔共焦特性曲线乘以调节因子γ，使得大虚拟针孔共焦特性曲线光强是小虚拟针孔共焦特性曲线的光强的1/2倍；

步骤四、将小虚拟针孔共焦特性曲线减去乘以调节因子γ后的大虚拟针孔共焦特性曲线，得到锐化共焦特性曲线。

本发明所述的双边错位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。

有益效果：

1)本发明公开的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，在共焦测量系统中利用大、小虚拟针孔探测横向相减锐化共焦特性曲线，利用锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，进而显著提高差动共焦定焦曲线的定焦灵敏度和信噪比，使透镜折射率测量中被测透镜前后表面顶点位置的定焦精度显著提高，以期显著提升透镜折射率测量精度。

2)相比于差动共焦测量系统，本发明公开的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，在未增加硬件成本的情况下提高透镜折射率测量精度。

3)本发明公开的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，通过大小虚拟光斑探测区横向相减处理探测，有效消除共模噪声，提升透镜折射率测量系统的抗环境干扰能力。

4)本发明公开的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，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，削减像差的对测量结果的影响。

5)相比于经典的高精度干涉透镜折射率测量方法，本发明公开的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，由于采用非干涉的艾里斑中心强度“点探测”方式，能够克服现有干涉定焦法对系统像差、环境振动、气流干扰和样品表面粗糙度极度灵敏的不足，大幅提高抗系统像差、环境干扰和表面散射的能力，显著提高透镜折射率测量精度。

附图说明

图1为本发明双边错位差动共焦透镜折射率测量方法示意图

图2为本发明大小虚拟针孔共焦特性曲线横向相减锐化示意图

图3为本发明锐化共焦特性曲线双边错位差动相减示意图

图4为本发明双边错位差动共焦曲线线性拟合触发定焦示意图

图5为本发明建立的光线追迹及其补偿模型示意图；

图6为本发明实施例双边错位差动共焦透镜折射率测量方法示意图；

图7为实施例1的数据图；

其中：1-点光源、2-分束镜、3-准直透镜、4-测量物镜、5-测量光束、6-被测透镜、7-横向相减共焦探测系统、8-显微物镜、9-CCD探测器、10-测量艾里斑、11-大虚拟针孔探测域、12-小虚拟针孔探测域、13-大虚拟针孔共焦特性曲线、14-小虚拟针孔共焦特性曲线、15-锐化共焦特性曲线、16-平移锐化共焦特性曲线、17-第一错位相减差动共焦特性曲线、18-差动共焦线性拟合直线、19-拟合直线零点、20-回移差动共焦拟合直线、21-移位拟合直线零点、22-第二错位相减差动共焦特性曲线、23-图像采集系统、24-主控计算机、25-多路电机驱动系统、26-轴向测量运动系统、27-五维调整系统、28-激光器、29-显微物镜、30-针孔、31-环形光瞳。

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。

本发明使用双边错位差动共焦透镜折射率测量方法来实现透镜折射率的高精度测量，核心思想：在差动共焦测量系统中，通过大、小虚拟针孔横向相减探测来锐化共焦特性曲线，通过锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理探测来实现透镜折射率测量中透镜顶点位置的精度定焦，进而达到提高透镜折射率测量精度的目的。

实施例：

实现附图1所示的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法的实施装置如图6所示，双边错位差动共焦透镜折射率测量方法的具体测量步骤如下：

a)启动主控计算机24的测量软件，打开激光器28，激光器28发出的光经过显微物镜29和针孔30后形成点光源1。

b)调整被测透镜6使其与测量物镜4和准直透镜3共光轴，点光源1发出的光经分束镜2、准直透镜3和测量物镜4后汇聚成测量光束5聚焦在被测透镜6顶点A上，被测透镜6顶点A反射的测量光束5再经测量物镜4和准直透镜3后被分束镜2反射进入到横向相减共焦探测系统7，主控计算机24中的测量软件，通过图像采集系统23获得由CCD探测器9采集到的测量艾里斑10。

c)沿光轴方向移动被测透镜6使测量光束5的焦点与被测透镜6的顶点A位置重合；在该透镜顶点位置附近相对轴向扫描被测透镜6，将横向相减共焦探测系统7中大虚拟针孔探测域11探测的大虚拟针孔共焦特性曲线13I_B(z)和小虚拟针孔探测域12探测到的小虚拟针孔共焦特性曲线14I_S(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线15I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

如图2所示，获取大虚拟针孔共焦特性曲线13和小虚拟针孔共焦特性曲线14的方法是：在CCD探测器9探测测量艾里斑10的每帧图像上选取一个预设大小的同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条大虚拟针孔共焦特性曲线I_B(z)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条小虚拟针孔共焦特性曲线I_S(z)，然后将I_B(z)和I_S(z)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化。

本实施例中取γ＝0.5，同心圆域的大圆域直径选取11个像素，小圆域直径选取5个像素；

d)如图3所示，主控计算机24的测量软件将相减处理得到的锐化共焦特性曲线15沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线16，并使锐化共焦特性曲线15和平移锐化共焦特性曲线16的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线15和平移锐化共焦特性曲线16分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到第一错位相减差动共焦特性曲线17I_D(z)＝I(z)-I(z,-S)。

e)如图4所示，主控计算机24的测量软件对第一错位相减差动共焦特性曲线17的线性段数据进行直线拟合得到差动共焦线性拟合直线18，再通过反向回移差动共焦线性拟合直线18S/2位置的差动共焦拟合直线20的移位拟合直线零点21精确确定测量光束5焦点与被测透镜6顶点重合的位置，进而确定被测透镜6的透镜顶点A位置Z₁，如图7所示，记录此时被测透镜6的顶点A位置Z₁＝0.0027mm。

f)主控计算机24通过多路电机驱动系统25和轴向测量运动系统26控制五维调整系统27继续沿测量物镜4的光轴方向相向移动测量物镜4或被测透镜6，使测量光束5的焦点与被测透镜6的后表面顶点B重合；在该透镜顶点B位置附近轴向扫描测量物镜4或被测透镜6，由横向相减共焦探测系统7通过处理测得的测量艾里斑10得到锐化共焦特性曲线15后再进行双边错位相减处理得到与测量物镜4焦点对应的第二错位相减差动共焦特性曲线22，主控计算机24按着步骤d)通过对第二错位相减差动共焦特性曲线22进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点来精确确定被测透镜6的后表面顶点B的位置，如图7所示，记录此时被测透镜6后表面顶点B的位置Z₂＝3.2797mm。

g)如图5所示，主控计算机24根据建立的光线追迹及其补偿模型，将被测透镜6前表面曲率半径r₁＝100.968mm、空气折射率n₀＝1和被测透镜6中心厚度d＝5.0735mm，代入公式(1)得到被测透镜6的折射率n＝1.5143。

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 (3)

1.双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

a)打开点光源(1)，调整被测透镜(6)使其与测量物镜(4)和准直透镜(3)共光轴，点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(3)和测量物镜(4)后汇聚成测量光束(5)照射在被测透镜(6)上，被测透镜(6)顶点反射的测量光束(5)再经测量物镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射进入到横向相减共焦探测系统(7)，形成的测量艾里斑(10)被CCD探测器(9)探测；所述横向相减共焦探测系统(7)由显微物镜(8)和CCD探测器(9)构成；

b)沿光轴方向移动被测透镜(6)使测量光束(5)的焦点与被测透镜(6)的顶点A位置重合；在所述被测透镜(6)的顶点A位置附近相对轴向扫描测量物镜(4)或被测透镜(6)，将横向相减共焦探测系统(7)中大虚拟针孔探测域(11)探测到的大虚拟针孔共焦特性曲线(13)I_B(z)和小虚拟针孔探测域(12)探测到的小虚拟针孔共焦特性曲线(14)I_S(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(15)I(z)＝I_S(z)-γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；

通过横向相减共焦探测系统(7)得到锐化共焦特性曲线(15)的方法如下：

步骤一、在被测透镜(6)扫描过程中，通过CCD探测器(9)探测测量艾里斑(10)，以测量艾里斑(10)的重心为中心，在CCD探测器(9)每帧探测图像上选定预设大小的大虚拟针孔探测域(11)，将大虚拟针孔探测域(11)中每个像素上的强度进行积分，得出大虚拟针孔共焦特性曲线(13)；

步骤二、同时以CCD探测器(9)探测的测量艾里斑(10)的重心为中心，选择另一个小虚拟针孔探测域(12)，所述小虚拟针孔探测域(12)的尺寸小于所述大虚拟针孔探测域(11)的尺寸，积分小虚拟针孔探测域(12)的强度得到小虚拟针孔共焦特性曲线(14)，小虚拟针孔共焦特性曲线(14)的半高宽和峰值强度均低于大虚拟针孔共焦特性曲线(13)的半高宽和峰值强度；

步骤三、将大虚拟针孔共焦特性曲线(13)乘以调节因子γ，使得大虚拟针孔共焦特性曲线(13)的光强是小虚拟针孔共焦特性曲线(14)的光强的1/2倍；

步骤四、将小虚拟针孔共焦特性曲线(14)减去乘以调节因子γ后的大虚拟针孔共焦特性曲线(13)，得到锐化共焦特性曲线(15)；

c)将锐化共焦特性曲线(15)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(16)，并使锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到第一错位相减差动共焦特性曲线(17)I_D(z)＝I(z)-I(z，-S)，利用差动共焦线性拟合直线(18)对第一错位相减差动共焦特性曲线(17)的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线(18)S/2位置的回移差动共焦拟合直线(20)的移位拟合直线零点(21)来精确确定测量光束(5)的焦点与被测透镜(6)的顶点A重合的位置，进而得到被测透镜(6)顶点A的位置Z₁；

d)继续沿光轴方向移动测量物镜(4)或被测透镜(6)，使测量光束(5)的焦点与被测透镜(6)的后表面顶点B重合；在所述被测透镜(6)的顶点B位置附近轴向扫描测量物镜(4)或被测透镜(6)，由横向相减共焦探测系统(7)通过处理测得的测量艾里斑(10)得到锐化共焦特性曲线(15)后再进行双边错位相减处理，得到与测量物镜(4)焦点附近对应的第二错位相减差动共焦特性曲线(22)，主控计算机(24)按照步骤c)通过对第二错位相减差动共焦特性曲线(22)进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点精确确定被测透镜(6)的后表面顶点B位置，记录此时被测透镜(6)的后表面顶点B的位置Z₂；

e)根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到被测透镜(6)的折射率n满足以下公式：

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和中心厚度t、空气折射率n_air和两次定焦位置之间的距离d₁＝|Z₂-Z₁|，即得出被测透镜(6)的折射率n。

2.根据权利要求1所述的双边错位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，进而得出被测透镜(6)的折射率的计算公式；如公式(2)所示，r_N为第N个表面S_N的曲率半径，n_N为第N个表面S_N与第N+1个表面S_N+1之间的材料折射率，d_N-1为第N-1个表面S_N-1与第N个表面S_N之间的轴向间隙，l_N′为S_N顶点到S_N出射线与光轴交点的距离，u_N′为S_N出射光线与光轴的夹角：

根据以上公式推导得出被测透镜(6)的折射率计算的公式(1)，进一步实现被测透镜(6)折射率精确测量。

3.根据权利要求1所述的双边错位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(31)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像差对测量光束的影响，减少测量误差。

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