CN113092077A - 一种镜片折射率测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镜片折射率测量装置及其方法，装置包括屈光度测量模块、光学厚度测量模块、共焦反射测量模块以及被测镜片，所述屈光度测量模块包括第一光源模组、第一准直透镜、哈特曼光阑片以及光电探测器Cam，所述光学厚度测量模块包括第二光源模组、第二准直透镜、第三光源模组、第三准直透镜、聚焦透镜、第一分光片、第二分光片、第三分光片、第四分光片、反射镜、光电探测器D1以及光电探测器D2，所述共焦反射测量模块包括发光源、光电探测器D3、Y型光纤、透镜镜组以及中孔棱镜，所述Y型光纤包括第一端口、第二端口以及第三端口，该装置减少了光学元件的数量，简化了光学结构，操作方便，降低成本，且减少了装置的空间占有面积。

Description

一种镜片折射率测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种镜片折射率测量装置及其测量方法。

背景技术

折射率参数是光学透镜的一个重要参数指标，为了确保光学系统有很好的成像质量，需要精确测量光学材料的折射率，目前高精度测量光学玻璃材料折射率是通过最小偏向角法进行。最小偏向角法具有精度高、波长范围大，且为直接测量，但最小片偏向角测试方法的前提是需要制作一个棱镜，进行光折射，同时需要精确测试棱镜的角度，这样的棱镜制作难度大，周期长；另外这种方法无法测试平面的光学元件，它比较适合用于玻璃制造商用于同一批玻璃的折射率样品测试，而不适合进行对实际镜片材料进行在线高精度测试。尤其某些特殊的应用场合，如眼镜片折射率检测，不知道光学元件材料的情况下，要求不破坏元件，实现其折射率检测，进而确定其材料属性。

目前针对成品镜片测定其折射率的检测方法主要有两种，一种是根据光焦度公式进行逆向计算，即利用机械精密测量方法测定其上下表面曲率、中心厚度和镜片光焦度，根据光焦度公式计算其测试波长折射率，该方法操作复杂、难度大，难以保证测量精度，且不适用于非球面镜片测量；另外一种方法是改变“环境”折射率方法，即通过改变与透镜上下表面接触介质的折射率，如将镜片至于已知折射率溶液中，或在镜片上下表面贴附已知折射率的柔性介质，分别测试镜片在空气中和在溶液中的光焦度，根据光焦度变化和溶液折射率可计算透镜材料折射率，该方法同样操作复杂，检测难度大。

针对上述两种折射率检测方法存在的缺陷，专利号为CN 112556991A的发明专利中提出了一种镜片折射率测量装置及方法来进行改进，该镜片折射率测量装置能够对镜片的折射率进行测量，其对应的测量方法中，无需破坏镜片，操作也较之前的现有技术来说更为简单，检测快速。但是该专利中提出的镜片折射率测量装置也存在下列缺陷：1、整个光学系统的设计原理复杂，导致其光学结构复杂；2、所用光学测量元件较多，耗材大，成本高；3、所用光学测量元件较多，导致整个测量装置的体积变大，占用空间大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简化、减少光学测量元件数量、耗材少、成本低、体积减小，且能够快速检测镜片折射率的镜片折射率测量装置。

本发明所采用的技术方案是，一种镜片折射率测量装置，包括屈光度测量模块、光学厚度测量模块、共焦反射测量模块以及被测镜片；

所述屈光度测量模块包括第一光源模组、第一准直透镜、哈特曼光阑片以及光电探测器Cam；

所述光学厚度测量模块包括第二光源模组、第二准直透镜、第三光源模组、第三准直透镜、聚焦透镜、第一分光片、第二分光片、第三分光片、第四分光片、反射镜、光电探测器D1以及光电探测器D2；

所述共焦反射测量模块包括发光源、光电探测器D3、Y型光纤、透镜镜组以及中孔棱镜，所述Y型光纤包括第一端口、第二端口以及第三端口；

所述第一光源模组发出的光经由所述第一准直透镜后成为平行光束，所述平行光束经过被测镜片和哈特曼光阑片后射入所述第一光电探测器Cam内；

所述第三光源模组发出光束，依次经过第一分光片透射和第二分光片反射，再通过第三分光片分成两束光，其中一束光反射到反射镜上，再由反射镜原路反射回来，一部分原路反射回来的光经过第三分光片透射，再经过第四分光片透射进入光电探测器D2；另外一束光经过第三分光片透射，再经过哈特曼光阑片上表面发生原路反射，原路反射回来的光经过第三分光片反射和第四分光片的透射后，进入到光电探测器D2；反射镜在移动的过程中，当由移动反射镜反射的一束光和由哈特曼光阑片反射的另一束光的光程相等时，在光电探测器D2内检测到干涉现象；

所述第二光源模组发出的光经由所述第二准直透镜后成为平行光束，平行光束经过第一分光片反射和第二分光片反射，再通过第三分光片分成两束光，其中一束光反射到反射镜上，再由反射镜原路反射回来，一部分原路反射回来的光经过第三分光片透射，再经过第四分光片反射进入光电探测器D1；另外一束光经过第三分光片透射，再经过哈特曼光阑片上表面发生原路反射，原路反射回来的光经过第三分光片反射和第四分光片的反射后，进入到光电探测器D1；当移动反射镜时，在移动的过程中，当由移动反射镜反射的一束光和哈特曼光阑片反射的另一束光的光程相等时，在光电探测器D1内检测到干涉现象；

所述Y型光纤的第一端口为测试出光口，发光源发出的光经由第三端口耦合到Y型光纤中，并由第一端口出射，所述第一端口位于透镜镜组的后焦点上，光束经过透镜镜组汇聚，再由中孔棱镜反射，最终在被测镜片处聚焦；当移动第一端口和透镜镜组时，在移动的过程中，聚焦到被测镜片上的光束会在被测镜片的上表面或下表面聚焦，当光束在被测镜片的上表面或下表面聚焦时，其表面反射光将原路返回到第一端口处，再经Y型光纤传播后，由第二端口出射到光电探测器D3上。

本发明的有益效果是：采用上述结构的镜片折射率测量装置，该装置相比原有技术，减少了光学元件的数量，简化了光学结构，在这个基础上，仍然能够完成对镜片折射率和色散系数系数的测量，其结构简单，操作方便，降低了装置的成本，且减少了装置的空间占有面积。

作为优选，哈特曼光阑片由阵列型排布的若干透光孔以及不透光区域组成，所述阵列型排布的若干透光孔的正中间位置的透光孔上镀有反射膜，所述反射膜的光谱范围为400-650nm，其反射率大于80％，采用该结构，在不影响镜片中心位置和光焦度测量的条件下，增加对干涉测量光源(第二光源模组和第三光源模组)的反射率，提高干涉信号探测灵敏度。

作为优选，镀有反射膜的透光孔的直径范围为：0.3-1.0mm；所述透光孔之间的中心距离范围为0.5-0.6mm，所述透光孔数量不少于10*10个。

作为优选，第一光源模组由第一光源和第一透光孔构成，所述第一光源为单色LED光源，其光谱宽度大于10nm且小于50nm，所述第一透光孔设置在靠近第一光源的发光面处，第一透光孔的直径小于0.5mm，所述第一透光孔和第一光源之间的距离小于0.5mm。

作为优选，第一准直透镜的焦距大于50mm。

作为优选，第二光源模组由第二光源和第二透光孔构成，所述第二光源为单色LED光源，其中心波长范围为：470nm-485nm，其光谱宽度大于10nm且小于50nm，所述第二透光孔设置在靠近第二光源的发光面处，第二透光孔的直径小于0.3mm，所述第二透光孔和第二光源之间的距离小于0.5mm。

作为优选，第二准直透镜的焦距大于50mm。

一种镜片折射率测量方法，包括下列步骤：

(1)、在放入测试镜片前，首先记录第一光源模组发出的光束在光电探测器Cam上的分布，并记录光源第二光源模组在光电探测器D1中出现干涉现象时反射镜的位置x10，以及记录第三光源模组在光电探测器D2中出现干涉现象时反射镜的位置x20；

(2)、然后放入被测镜片，被测镜片放入后会引起第一光源模组的光束在光电探测器Cam中分布的变化，利用光电探测器Cam中光点位置的变化情况来监测被测镜片中心是否与第一光源模组的光路中心重合，以此来提示操作者移动被测镜片的位置，直到被测镜片的中心与第一光源模组的光路中心重合，此时根据光电探测器Cam中的光强分步计算被测镜片的屈光度；

(3)、关闭光源第一光源模组，打开第二光源模组、第三光源模组以及发光源，匀速移动移动组件，使反射镜、透镜镜组和Y型光纤的第一端口同步匀速移动，光电探测器D1和光电探测器D2实时监测光信号变化，并记录放入被测镜片后第二光源模组的干涉峰位置x11，以及第三光源模组的干涉峰位置x21，由光电探测器D3记录被测镜片的上表面的共焦反射位置z2，以及被测镜片的下表面的共焦反射位置z3；

(4)、根据x11、x21、z2、z3可计算镜片折射率n。

采用上述一种镜片折射率测量方法，可以简单、且快速地测量出x11、x21、z2、z3的值，并根据得到的数值来计算出镜片折射率n，该种方法操作简单，节省操作时间，提高工作效率。

作为优选，计算镜片折射率n的公式为：

其中

β为固定常系数，再通过拟合计算，进一步计算色散系数为：

附图说明

图1为本发明一种镜片折射率测量装置的光学结构图；

图2为本发明中哈特曼光阑片的结构示意图；

如图所示：1、第一光源模组；2、第一准直透镜；3、哈特曼光阑片；4、光电探测器Cam；5、第二光源模组；6、第二准直透镜；7、第三光源模组；8、第三准直透镜；9、聚焦透镜；10、第一分光片；11、第二分光片；12、第三分光片；13、第四分光片；14、反射镜；15、光电探测器D1；16、光电探测器D2；17、发光源；18、光电探测器D3；19、Y型光纤；20、透镜镜组；21、中孔棱镜；22、第一端口；23、第二端口；24、第三端口；25、被测镜片；26、第一光轴；27、第二光轴；28、第三光轴；29、透光孔；30、不透光区域；31、反光膜。

具体实施方式

以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

本发明涉及一种镜片折射率测量装置，包括屈光度测量模块、光学厚度测量模块、共焦反射测量模块以及被测镜片25；

如图1所示，所述屈光度测量模块包括第一光源模组1、第一准直透镜2、哈特曼光阑片3以及光电探测器Cam4；

如图1所示，所述光学厚度测量模块包括第二光源模组5、第二准直透镜6、第三光源模组7、第三准直透镜8、聚焦透镜9、第一分光片10、第二分光片11、第三分光片12、第四分光片13、反射镜14、光电探测器D115以及光电探测器D216；

如图1所示，所述共焦反射测量模块包括发光源17、光电探测器D318、Y型光纤19、透镜镜组20以及中孔棱镜21，所述Y型光纤19包括第一端口22、第二端口23以及第三端口24；

如图1所示，所述第一光源模组1、第一准直透镜2、第二分光片11、第三分光片12、中孔棱镜21、被测镜片25、哈特曼光阑片3以及光电探测器Cam4依次分布在第一光轴26方向上；

如图1所示，所述第三光源模组7、第三准直透镜8、第一分光片10、聚焦透镜9以及第二分光片11依次分布在第二光轴27方向上；

如图1所示，所述反射镜14、第三分光片12、第四分光片13以及光电探测器D216依次分布在第三光轴28方向上；

如图1所示，所述第一光源模组1发出的光经由所述第一准直透镜2后成为平行光束，所述平行光束经过被测镜片25和哈特曼光阑片3后射入所述第一光电探测器Cam4内；

如图1所示，所述第三光源模组7发出光束，依次经过第一分光片10透射和第二分光片11反射，再通过第三分光片12分成两束光，其中一束光反射到反射镜14上，再由反射镜14原路反射回来，一部分原路反射回来的光经过第三分光片12透射，再经过第四分光片13透射进入光电探测器D216；另外一束光经过第三分光片12透射，再经过哈特曼光阑片3上表面发生原路反射，原路反射回来的光经过第三分光片12反射和第四分光片13的透射后，进入到光电探测器D216；反射镜14位于移动组件上，当通过移动组件移动反射镜14时，反射镜14在移动的过程中，当由移动反射镜14反射的一束光和由哈特曼光阑片3反射的另一束光的光程相等时，在光电探测器D216内检测到干涉现象；

如图1所示，所述第二光源模组5发出的光经由所述第二准直透镜6后成为平行光束，平行光束经过第一分光片10反射和第二分光片11反射，再通过第三分光片12分成两束光，其中一束光反射到反射镜14上，再由反射镜14原路反射回来，一部分原路反射回来的光经过第三分光片12透射，再经过第四分光片13反射进入光电探测器D115；另外一束光经过第三分光片12透射，再经过哈特曼光阑片3上表面发生原路反射，原路反射回来的光经过第三分光片12反射和第四分光片13的反射后，进入到光电探测器D115；当移动反射镜14时，在移动的过程中，当由移动反射镜14反射的一束光和由哈特曼光阑片3反射的另一束光的光程相等时，在光电探测器D115内检测到干涉现象；

如图1所示，所述Y型光纤19的第一端口22为测试出光口，发光源17发出的光经由第三端口24耦合到Y型光纤19中，并由第一端口22出射，所述第一端口22位于透镜镜组20的后焦点上，光束经过透镜镜组20汇聚，再由中孔棱镜21反射，最终在被测镜片25处聚焦；第一端口22和透镜镜组20位于移动组件上，当通过移动组件移动第一端口22和透镜镜组20时，在移动的过程中，聚焦到被测镜片25上的光束会在被测镜片25的上表面或下表面聚焦，即聚焦到被测镜片25上的光束会在被测镜片25的上表面和下表面交替聚焦，当光束在被测镜片25的上表面或下表面聚焦时，其表面反射光将原路返回到第一端口22处，再经Y型光纤19传播后，由第二端口23出射到光电探测器D318上。发光源17为LED光源或激光光源，其中心波长与第一光源模组1中的第一光源的中心波长相等。

如图2所示，哈特曼光阑片3由阵列型排布的若干透光孔29以及不透光区域30组成，所述阵列型排布的若干透光孔29的正中间位置的透光孔29上镀有反射膜31，所述反射膜31的光谱范围为400-650nm，其反射率大于80％。

如图2所示，镀有反射膜31的透光孔29的直径范围为：0.3-1.0mm；所述透光孔29之间的中心距离范围为0.5-0.6mm，所述透光孔29数量不少于10*10个。

第一光源模组1由第一光源和第一透光孔构成，所述第一光源为单色LED光源，其光谱宽度大于10nm且小于50nm，所述第一透光孔设置在靠近第一光源的发光面处，第一透光孔的直径小于0.5mm，优选小于0.2mm，所述第一透光孔和第一光源之间的距离小于0.5mm。

第一准直透镜2的焦距大于50mm，优选焦距大于100mm。

第二光源模组5由第二光源和第二透光孔构成，所述第二光源为单色LED光源，其中心波长范围为：470nm-485nm，其光谱宽度大于10nm且小于50nm，所述第二透光孔设置在靠近第二光源的发光面处，第二透光孔的直径小于0.3mm，优选小于0.2mm，所述第二透光孔和第二光源之间的距离小于0.5mm。

第二准直透镜6的焦距大于50mm，优选焦距大于100mm。

第三准直透镜8置于第二分光片11和第一分光片10之间，其焦距大于50mm，优选焦距大于100mm。第二分光片11为半透半反射镜14，透射率与反射率的比值为5：5.

一种镜片折射率测量方法，包括下列步骤：

(1)、在放入测试镜片前，首先记录第一光源模组1发出的光束在光电探测器Cam4上的分布，并记录光源第二光源模组5在光电探测器D115中出现干涉现象时反射镜14的位置x10，以及记录第三光源模组7在光电探测器D216中出现干涉现象时反射镜14的位置x20；

(2)、然后放入被测镜片25，被测镜片25放入后会引起第一光源模组1的光束在光电探测器Cam4中分布的变化，利用光电探测器Cam4中光点位置的变化情况来监测被测镜片25中心是否与第一光源模组1的光路中心重合，以此来提示操作者移动被测镜片25的位置，直到被测镜片25的中心与第一光源模组1的光路中心重合，此时根据光电探测器Cam4中的光强分步计算被测镜片25的屈光度；

(3)、关闭光源第一光源模组1，打开第二光源模组5、第三光源模组7以及发光源17，匀速移动移动组件，使反射镜14、透镜镜组20和Y型光纤19的第一端口22同步匀速移动，光电探测器D115和光电探测器D216实时监测光信号变化，并记录放入被测镜片25后第二光源模组5的干涉峰位置x11，以及第三光源模组7的干涉峰位置x21，由光电探测器D318记录被测镜片25的上表面的共焦反射位置z2，以及被测镜片25的下表面的共焦反射位置z3；

(4)、根据x11、x21、z2、z3可计算镜片折射率n。

计算镜片折射率n的公式为：

其中

β为固定常系数，再通过拟合计算，进一步计算色散系数为：

Claims (9)

1.一种镜片折射率测量装置，包括屈光度测量模块、光学厚度测量模块、共焦反射测量模块以及被测镜片(25)，其特征在于：所述屈光度测量模块包括第一光源模组(1)、第一准直透镜(2)、哈特曼光阑片(3)以及光电探测器Cam(4)；所述光学厚度测量模块包括第二光源模组(5)、第二准直透镜(6)、第三光源模组(7)、第三准直透镜(8)、聚焦透镜(9)、第一分光片(10)、第二分光片(11)、第三分光片(12)、第四分光片(13)、反射镜(14)、光电探测器D1(15)以及光电探测器D2(16)；所述共焦反射测量模块包括发光源(17)、光电探测器D3(18)、Y型光纤(19)、透镜镜组(20)以及中孔棱镜(21)，所述Y型光纤(19)包括第一端口(22)、第二端口(23)以及第三端口(24)；

所述第一光源模组(1)发出的光经由所述第一准直透镜(2)后成为平行光束，所述平行光束经过被测镜片(25)和哈特曼光阑片(3)后射入所述第一光电探测器Cam(4)内；

所述第三光源模组(7)发出光束，依次经过第一分光片(10)透射和第二分光片(11)反射，再通过第三分光片(12)分成两束光，其中一束光反射到反射镜(14)上，再由反射镜(14)原路反射回来，一部分原路反射回来的光经过第三分光片(12)透射，再经过第四分光片(13)透射进入光电探测器D2(16)；另外一束光经过第三分光片(12)透射，再经过哈特曼光阑片(3)上表面发生原路反射，原路反射回来的光经过第三分光片(12)反射和第四分光片(13)的透射后，进入到光电探测器D2(16)；当移动反射镜(14)时，反射镜(14)在移动的过程中，当由移动反射镜(14)反射的一束光和由哈特曼光阑片(3)反射的另一束光的光程相等时，在光电探测器D2(16)内检测到干涉现象；

所述第二光源模组(5)发出的光经由所述第二准直透镜(6)后成为平行光束，平行光束经过第一分光片(10)反射和第二分光片(11)反射，再通过第三分光片(12)分成两束光，其中一束光反射到反射镜(14)上，再由反射镜(14)原路反射回来，一部分原路反射回来的光经过第三分光片(12)透射，再经过第四分光片(13)反射进入光电探测器D1(15)；另外一束光经过第三分光片(12)透射，再经过哈特曼光阑片(3)上表面发生原路反射，原路反射回来的光经过第三分光片(12)反射和第四分光片(13)的反射后，进入到光电探测器D1(15)；当移动反射镜(14)时，在移动的过程中，当由移动反射镜(14)反射的一束光和由哈特曼光阑片(3)反射的另一束光的光程相等时，在光电探测器D1(15)内检测到干涉现象；

所述Y型光纤(19)的第一端口(22)为测试出光口，发光源(17)发出的光经由第三端口(24)耦合到Y型光纤(19)中，并由第一端口(22)出射，所述第一端口(22)位于透镜镜组(20)的后焦点上，光束经过透镜镜组(20)汇聚，再由中孔棱镜(21)反射，最终在被测镜片(25)处聚焦；当移动第一端口(22)和透镜镜组(20)时，在移动的过程中，聚焦到被测镜片(25)上的光束会在被测镜片(25)的上表面或下表面聚焦，当光束在被测镜片(25)的上表面或下表面聚焦时，其表面反射光将原路返回到第一端口(22)处，再经Y型光纤(19)传播后，由第二端口(23)出射到光电探测器D3(18)上。

2.根据权利要求1所述的一种镜片折射率测量装置，其特征在于：哈特曼光阑片(3)由阵列型排布的若干透光孔(29)以及不透光区域(30)组成，所述阵列型排布的若干透光孔(29)的正中间位置的透光孔(29)上镀有反射膜(31)，所述反射膜(31)的光谱范围为400-650nm，其反射率大于80％。

3.根据权利要求2所述的一种镜片折射率测量装置，其特征在于：镀有反射膜(31)的透光孔(29)的直径范围为：0.3-1.0mm；所述透光孔(29)之间的中心距离范围为0.5-0.6mm，所述透光孔(29)数量不少于10*10个。

4.根据权利要求1所述的一种镜片折射率测量装置，其特征在于：第一光源模组(1)由第一光源和第一透光孔构成，所述第一光源为单色LED光源，其光谱宽度大于10nm且小于50nm，所述第一透光孔设置在靠近第一光源的发光面处，第一透光孔的直径小于0.5mm，所述第一透光孔和第一光源之间的距离小于0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种镜片折射率测量装置，其特征在于：第一准直透镜(2)的焦距大于50mm。

6.根据权利要求1所述的一种镜片折射率测量装置，其特征在于：第二光源模组(5)由第二光源和第二透光孔构成，所述第二光源为单色LED光源，其中心波长范围为：470nm-485nm，其光谱宽度大于10nm且小于50nm，所述第二透光孔设置在靠近第二光源的发光面处，第二透光孔的直径小于0.3mm，所述第二透光孔和第二光源之间的距离小于0.5mm。

7.根据权利要求1所述的一种镜片折射率测量装置，其特征在于：第二准直透镜(6)的焦距大于50mm。

8.一种镜片折射率测量方法，其特征在于：包括下列步骤：

(1)、在放入测试镜片前，首先记录第一光源模组(1)发出的光束在光电探测器Cam(4)上的分布，并记录光源第二光源模组(5)在光电探测器D1(15)中出现干涉现象时反射镜(14)的位置x10，以及记录第三光源模组(7)在光电探测器D2(16)中出现干涉现象时反射镜(14)的位置x20；

(2)、然后放入被测镜片(25)，被测镜片(25)放入后会引起第一光源模组(1)的光束在光电探测器Cam(4)中分布的变化，利用光电探测器Cam(4)中光点位置的变化情况来监测被测镜片(25)中心是否与第一光源模组(1)的光路中心重合，以此来提示操作者移动被测镜片(25)的位置，直到被测镜片(25)的中心与第一光源模组(1)的光路中心重合，此时根据光电探测器Cam(4)中的光强分步计算被测镜片(25)的屈光度；

(3)、关闭光源第一光源模组(1)，打开第二光源模组(5)、第三光源模组(7)以及发光源(17)，匀速移动移动组件，使反射镜(14)、透镜镜组(20)和Y型光纤(19)的第一端口(22)同步匀速移动，光电探测器D1(15)和光电探测器D2(16)实时监测光信号变化，并记录放入被测镜片(25)后第二光源模组(5)的干涉峰位置x11，以及第三光源模组(7)的干涉峰位置x21，由光电探测器D3(18)记录被测镜片(25)的上表面的共焦反射位置z2，以及被测镜片(25)的下表面的共焦反射位置z3；

(4)、根据x11、x21、z2、z3可计算镜片折射率n。

9.根据权利要求8所述的一种镜片折射率测量方法，其特征在于：计算镜片折射率n的公式为：

其中

β为固定常系数，再通过拟合计算，进一步计算色散系数为：

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