CN112611548B - 一种基于数字全息的透镜焦距测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于数字全息的透镜焦距测量装置及方法，属于透镜焦距测量技术领域。本发明所述方法使通过待测透镜的物光波与一束参考光波发生干涉，改变参考光波面半径，用电荷耦合器件在干涉场中记录干涉图像，再通过分析干涉图像信息及参考光波波面半径的改变量测量出待测透镜的焦距值；该方法不涉及复杂光程的直接测量，无需修正测量结果，减小实验误差，对数字全息图重建及透镜焦距测量方法给予有益的参考。

Description

一种基于数字全息的透镜焦距测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于数字全息的透镜焦距测量装置及方法，属于透镜焦距测量技术领域。
背景技术
透镜是组成光学系统的最基本的元件；在全息术中，透镜的焦距值对于图像重构是一个重要参量，对于投影尺寸远大于电荷耦合元件面阵尺寸的物体，为较好地接收物光场信息，通常需要选择合适的光学系统对物光场进行变换，此时透镜距值准确与否将直接影响到重构图像的质量，因此透镜焦距的准确测量是十分必要的；现有测量透镜焦距的方法都比较简单易行，但是精度和准确性不高，达不到数字全息技术中对焦距的精度要求；已有的利用干涉法测量透镜焦距的方法需要测量较长距离的光程，测量过程较为繁琐，测量精度差。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供了一种基于数字全息的透镜焦距测量装置，该装置结构简单、操作方便，能通过数字全息图测量待测透镜的焦距，只需要测量参考光波波面半径的改变量，无需测量较长光程，无需修正测量结果，减小实验误差，提高测量精度。
本发明的技术方案是：一种基于数字全息的透镜焦距测量装置，包括激光器1、分光棱镜Ⅰ2、分光棱镜Ⅱ3、光学反射镜Ⅰ4、光学反射镜Ⅱ5、扩束镜Ⅰ6、扩束镜Ⅱ7、针孔滤波器Ⅰ8、针孔滤波器Ⅱ9、准直透镜10、待测凹透镜11、光电荷耦合器件12、计算机13；激光器1发射出激光照射在分光棱镜Ⅰ2上；分光棱镜Ⅰ2、分光棱镜Ⅱ3、光学反射镜Ⅰ4和光学反射镜Ⅱ5在光学平台上构成一个马赫-增德光路系统，其中分光棱镜Ⅰ2和光学反射镜Ⅰ4在同一条垂直线上，分光棱镜Ⅰ2和光学反射镜Ⅱ5在同一条水平线上，光学反射镜Ⅱ5和分光棱镜Ⅱ3在同一条垂直线上，分光棱镜Ⅱ3和光学反射镜Ⅰ4在同一条水平线上；光学反射镜Ⅰ4和分光棱镜Ⅱ3之间依次设有扩束镜Ⅰ6、针孔滤波器Ⅰ8、准直透镜10、待测凹透镜11；光学反射镜Ⅱ5和分光棱镜Ⅱ3之间依次设有扩束镜Ⅱ7和针孔滤波器Ⅱ9；光电荷耦合器件12为CCD，设置于分光棱镜Ⅱ3的后方，并在能接收到干涉球面波的范围内，用于记录参物光干涉全息图，并输送给计算机13，通过计算机13数值再现。
进一步的，本发明所述各个光学元件的中心要和激光器1发射出的激光以及整个光路的中心光轴处于同一直线上，确保每一个器件都得到充分利用。
本发明的另一目的在于提供一种基于数字全息的透镜焦距测量方法，具体包括以下步骤：
（1）激光器1发射出激光照射在分光棱镜Ⅰ2上，经分光棱镜Ⅰ2后形成两束光：一束依次经过光学反射镜Ⅰ4、扩束镜Ⅰ6、针孔滤波器Ⅰ8、准直透镜10、待测凹透镜11后通过分光棱镜Ⅱ3成像在光电荷耦合器件12的光敏面上，为物光；另一束球面波作为参考光波，依次经过光学反射镜Ⅱ5、扩束镜Ⅱ7、针孔滤波器Ⅱ9、分光棱镜Ⅱ3后与物光在光电荷耦合器件12光敏面上干涉形成干涉条纹，即数字全息图；所述物光和参考光的夹角以及光强比必须严格调整合适，干涉效果才能达到最好，形成数字全息图。
（2）测量待测凹透镜11与光电荷耦合器件12之间的距离为d0，再通过分析干涉图像及参考光波波面半径的改变量△dr，根据激光器1的波长λ、数字全息图中相邻圆环之间的直径的平方差G及参考光波波面半径改变之后相邻圆环之间的直径的平方差
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE004
得出到达光电荷耦合器件12光敏面上的干涉球面波波面半径d，最后根据几何光学原理，用公式f=d0-d计算出待测凹透镜11的焦距f。
本发明所述经过待测凹透镜后的物光为球面波，经过扩束镜Ⅱ、和针孔滤波器Ⅱ后的参考光也为球面波。
进一步的，本发明所述干涉球面波波面半径d的测量方法为：改变参考光波波面半径大小，分别拍摄改变前后的数字全息图，读取两幅全息图的信息，由参考光波波面半径的改变量△dr得出到达光电荷耦合器件12光敏面上的干涉球面波波面半径d。
优选的，本发明所述激光器1为氦氖激光器，中心波长为632.8nm的绿光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
结构简单、操作方便，能通过数字全息图测量待测透镜的焦距，只需要测量参考光波波面半径的改变量，无需测量较长光程，无需修正测量结果，减小实验误差，提高测量精度。所采用的参考光波为球面波，较于平面波也更容易实现。实用性较强，在各类透镜焦距测量及检测校正中有着十分重要的应用，也可用于各种组合透镜及各种光学系统的焦距测量，可广泛推广到实验室焦距测量中，对测量透镜焦距值和数字全息图重建方面均有一定的帮助。
附图说明
图1为本发明干涉法测量焦距原理图；
图2为本发明的光路示意图。
具体实施方式
为使得本发明的上述目的、特征和优点能够更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
实施例1
一种基于数字全息的透镜焦距测量装置，如图1~2所示，包括激光器1、分光棱镜Ⅰ2、分光棱镜Ⅱ3、光学反射镜Ⅰ4、光学反射镜Ⅱ5、扩束镜Ⅰ6、扩束镜Ⅱ7、针孔滤波器Ⅰ8、针孔滤波器Ⅱ9、准直透镜10、待测凹透镜11、光电荷耦合器件12、计算机13；激光器1发射出激光照射在分光棱镜Ⅰ2上；分光棱镜Ⅰ2、分光棱镜Ⅱ3、光学反射镜Ⅰ4和光学反射镜Ⅱ5在光学平台上构成一个马赫-增德光路系统，其中分光棱镜Ⅰ2和光学反射镜Ⅰ4在同一条垂直线上，分光棱镜Ⅰ2和光学反射镜Ⅱ5在同一条水平线上，光学反射镜Ⅱ5和分光棱镜Ⅱ3在同一条垂直线上，分光棱镜Ⅱ3和光学反射镜Ⅰ4在同一条水平线上；光学反射镜Ⅰ4和分光棱镜Ⅱ3之间依次设有扩束镜Ⅰ6、针孔滤波器Ⅰ8、准直透镜10、待测凹透镜11；光学反射镜Ⅱ5和分光棱镜Ⅱ3之间依次设有扩束镜Ⅱ7和针孔滤波器Ⅱ9；光电荷耦合器件12为CCD，设置于分光棱镜Ⅱ3的后方，并在能接收到干涉球面波的范围内，用于记录参物光干涉全息图，并输送给计算机13，通过计算机13数值再现；所述激光器1为氦氖激光器，中心波长为632.8nm的绿光。
本实施例中，各个光学元件的中心要和激光器发射出的激光以及整个光路的中心光轴处于同一直线上，确保每一个器件都得到充分利用。
本实施例中，激光经分光棱镜Ⅰ后形成两束光:一束经过待测凹透镜后通过分光棱镜Ⅱ成像在光电荷耦合器件的光敏面上，为物光；另一束球面波作为参考光波，经过分光棱镜Ⅱ，与物光在光电荷耦合器件光敏面上干涉形成干涉条纹，即数字全息图。
本实施例中，根据图1，测量待测凹透镜与光电荷耦合器件之间的距离为d0，再通过分析干涉图像及参考光波波面半径的改变量△dr，根据激光器的波长λ、数字全息图中相邻圆环之间的直径的平方差G及参考光波波面半径改变之后相邻圆环之间的直径的平方差
Figure 65228DEST_PATH_IMAGE002
，由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
得出到达光电荷耦合器件光敏面上的干涉球面波波面半径d，最后根据几何光学原理，用公式f= d0-d计算出待测凹透镜的焦距f。
根据此方法进行了实验，待测透镜是一个焦距标称值为－100mm 的凹透镜(对应于波长为587．6nm的黄光)；在透镜后d0=450.5mm位置处记录干涉条纹，当参考光路中滤波器与光电耦合器件之间的距离的改变量为△dr=52.5mm时，分别多次读取干涉图像两相邻条纹直径，计算出到达光电耦合器件光敏面的波面半径为d=550.4mm，再带入公式f= d0-d得到待测透镜焦距为-99.9mm，与标称值相差1%左右。
上述操作流程及软硬件配置，仅作为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的同等变换，或直接或间接运用在相干技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于数字全息的透镜焦距测量方法，其特征在于，所述测量方法所用装置为基于数字全息的透镜焦距测量装置：包括激光器（1）、分光棱镜Ⅰ（2）、分光棱镜Ⅱ（3）、光学反射镜Ⅰ（4）、光学反射镜Ⅱ（5）、扩束镜Ⅰ（6）、扩束镜Ⅱ（7）、针孔滤波器Ⅰ（8）、针孔滤波器Ⅱ（9）、准直透镜（10）、待测凹透镜（11）、光电荷耦合器件（12）、计算机（13）；激光器（1）发射出激光照射在分光棱镜Ⅰ（2）上；分光棱镜Ⅰ（2）、分光棱镜Ⅱ（3）、光学反射镜Ⅰ（4）和光学反射镜Ⅱ（5）在光学平台上构成一个马赫-增德光路系统，其中分光棱镜Ⅰ（2）和光学反射镜Ⅰ（4）在同一条垂直线上，分光棱镜Ⅰ（2）和光学反射镜Ⅱ（5）在同一条水平线上，光学反射镜Ⅱ（5）和分光棱镜Ⅱ（3）在同一条垂直线上，分光棱镜Ⅱ（3）和光学反射镜Ⅰ（4）在同一条水平线上；光学反射镜Ⅰ（4）和分光棱镜Ⅱ（3）之间依次设有扩束镜Ⅰ（6）、针孔滤波器Ⅰ（8）、准直透镜（10）、待测凹透镜（11）；光学反射镜Ⅱ（5）和分光棱镜Ⅱ（3）之间依次设有扩束镜Ⅱ（7）和针孔滤波器Ⅱ（9）；光电荷耦合器件（12）为CCD，设置于分光棱镜Ⅱ（3）的后方，并在能接收到干涉球面波的范围内，用于记录参物光干涉全息图，并输送给计算机（13），通过计算机（13）数值再现；
所述测量方法具体包括以下步骤：激光器（1）发射出激光照射在分光棱镜Ⅰ（2）上，经分光棱镜Ⅰ（2）后形成两束光：一束依次经过光学反射镜Ⅰ（4）、扩束镜Ⅰ（6）、针孔滤波器Ⅰ（8）、准直透镜（10）、待测凹透镜（11）后通过分光棱镜Ⅱ（3）成像在光电荷耦合器件（12）的光敏面上，为物光；另一束球面波作为参考光波，依次经过光学反射镜Ⅱ（5）、扩束镜Ⅱ（7）、针孔滤波器Ⅱ（9）、分光棱镜Ⅱ（3）后与物光在光电荷耦合器件（12）光敏面上干涉形成干涉条纹，即数字全息图；测量待测凹透镜（11）与光电荷耦合器件（12）之间的距离为d0，再通过分析干涉图像及参考光波波面半径的改变量△dr，根据激光器（1）的波长λ、数字全息图中相邻圆环之间的直径的平方差G及参考光波波面半径改变之后相邻圆环之间的直径的平方差
Figure QLYQS_1
，由公式
Figure QLYQS_2
得出到达光电荷耦合器件（12）光敏面上的干涉球面波波面半径d，最后根据几何光学原理，用公式f=d0-d计算出待测凹透镜（11）的焦距f；
干涉球面波波面半径d的测量方法为：改变参考光波波面半径大小，分别拍摄改变前后的数字全息图，读取两幅全息图的信息，由参考光波波面半径的改变量△dr得出到达光电荷耦合器件（12）光敏面上的干涉球面波波面半径d。
2.根据权利要求1所述基于数字全息的透镜焦距测量方法，其特征在于：各个光学元件的中心要和激光器（1）发射出的激光以及整个光路的中心光轴处于同一直线上，确保每一个器件都得到充分利用。
3.根据权利要求1所述基于数字全息的透镜焦距测量方法，其特征在于：所述激光器（1）为氦氖激光器，中心波长为632.8nm的绿光。
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