CN113804651B - 一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，包括上位机、控制器、多波长光源、三爪自定心夹持器、待测透镜、像散探头和电动平移台；其中像散探头具有长工作距离，用于高精度测量探头与表面之间的距离，电动平移台模块带动像散探头沿透镜光轴方向移动，分别确定透镜两个表面顶点的位置，根据透镜的已知厚度及像散探头移动的光程信息计算获得折射率，进一步更换光源波长重复测量，可得折射率与波长之间的关系。本发明适用于球面及非球面透镜折射率的测量，在光学元件质量管控中具有广阔的应用前景。

Description

一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测试计量技术领域，尤其涉及一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置及方法。

背景技术

折射率是透射型光学元件的重要参数之一，决定了光学元件的光焦度、像差特性，对光学系统的性能有重要的影响，镜头生产厂家往往需在使用透镜前进行测量以管控质量，因此透镜折射率测量一直是光学测量领域的基础问题。

目前已发展了多种玻璃材料折射率测量方法，但传统棱镜法、直角照射法等技术需要将玻璃材料加工成特定形状，难以适用于球面或非球面透镜。已有学者针对透镜折射率测量开展了研究工作，提出使用浸液法匹配溶液与玻璃折射率，通过测量溶液折射率间接获得玻璃折射率，但配置溶液过程繁琐，难以自动化。还有学者提出使用多波长激光散斑干涉的技术获取透镜的几何参数及折射率，但干涉条纹易受环境振动及气流扰动干扰，数据处理繁琐且稳定性较差。北京理工大学提出使用差动共焦技术进行测量，通过分别测量透镜前后表面顶点位置计算获得透镜折射率，具有无损及高精度的优点，但该技术系统复杂、装调困难、成本较高，目前仍未获得广泛应用。因此迫切需要开发一种高性价比、高可靠性、非接触无损测量透镜折射率的方法及装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置及方法，适用于球面及非球面透镜折射率的测量，在光学元件质量管控中具有广阔的应用前景。

具体方案如下：

一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，其特征在于：包括上位机、控制器、多波长光源、三爪自定心夹持器、待测透镜、像散探头和电动平移台；所述上位机用于与控制器以及像散探头信号连接；所述控制器用于控制像散探头的光源照明和电动平移台的升降，所述控制器可同时读取电动平移台的位置数据并发送给上位机；所述多波长光源用于将白光LED出射光束经多个不同中心波长的滤光片后耦合入光纤，并传输给像散探头；所述三爪自定心夹持器用于将待测透镜固定在像散探头正下方；所述像散探头用于接收多波长光源的出射光纤，并确定每个波长处待测透镜两个表面顶点的位置；所述电动平移台用于带动像散探头做升降位移，并测量位移距离；所述上位机计算得到每个波长处待测透镜两个表面顶点之间的光程差，然后通过光程差以及已知待测透镜的厚度及面形，获得待测透镜不同波长处的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述上位机为一般桌面式或手提式个人计算机，使用Windows操作系统，提供至少一个USB2.0或3.0接口，当总的USB口少于2个时，需外接USB扩展口，用于与像散探头及控制器连接。

作为本发明的进一步改进，所述控制器由开关电源、电机驱动器、可调恒流驱动模块和嵌入式处理模块组成；所述开关电源提供电机运动、嵌入式处理模块运行、及光源照明所需电源，其中电机使用24V电源，嵌入式处理模块及光源照明使用5V电源；所述电机驱动器用于提供电机运动的驱动信号，根据电机的种类确定具体的类型，一般使用步进电机驱动器；所述可调恒流驱动模块用于像散探头光源照明使用，用于连续调节驱动电流，模拟调节或PWM调节均可；所述嵌入式处理模块包括微处理器及FPGA，其中微处理器使用STM32单片机，FPGA使用Altera公司的低成本芯片，STM32单片机用于逻辑控制，FPGA用于读取平移台位置信号。

作为本发明的进一步改进，所述多波长光源由白光LED、滤光片组、电动转轮和光纤组成；所述白光LED在可见光范围内具有连续光谱，功率大于1W；所述滤光片组包括多个不同中心波长的窄带滤光片，半高带宽小于10 nm，具体中心波长可根据用户需求确定；所述电动转轮用于安装窄带滤光片，由电机驱动绕固定轴旋转到指定位置时在光路中引入指定滤光片；所述光纤为单模光纤，白光LED出射光束经过滤光片后耦合入光纤进行传播，在出光端使用SMA接口。

作为本发明的进一步改进，所述所述三爪自定心夹持器用于固定待测透镜，自定心误差低于20微米；所述待测透镜具有轴对称面形，在设置光谱范围内透过率应大于10%，测量前已知其面形及中心厚度。

作为本发明的进一步改进，所述像散探头由光纤SMA连接器、显微物镜、分光镜、柱面镜和面阵相机组成；所述光纤SMA连接器用于引入多波长光源的出射光纤；所述显微物镜具有长工作距离及高数值孔径，用于将光纤出射光束聚焦到待测元件的表面；所述分光镜用于将照明及探测光路进行合束，可使用分光棱镜或者45度分光镜；所述柱面镜用于在光路中引入像散，使得原高斯光束在传播过程中长短轴形状发生变化，通过分析光斑可获得光束汇聚情况；所述面阵相机采集光斑形状，并将其传输至上位机。

作为本发明的进一步改进，所述电动平移台模块由高精度单轴电动平移台及高精度光栅尺或线性位移计组成；所述电动平移台由步进电机或伺服电机驱动，行程为50mm；所述光栅尺或线性位移计测量范围不少于50mm，分辨率在1微米以内。

一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量方法，包括以下步骤：

步骤1：标定像散探头在待测透镜上的光斑与位移之间的关系；

步骤2：将待测透镜上表面顶点移动至像散探头的测量范围内，根据像散探头测量结果及光栅尺或线性位移计位置，获得其上表面顶点位置；

步骤3：通过电动位移平台向下移动像散探头，使待测透镜下表面位于像散探头的测量范围内，并记录下表面顶点的位置；

步骤4：在光学设计软件中输入已知透镜表面曲率半径及厚度，优化折射率，使透镜光程与测量结果一致，优化折射率结果即作为输出结果；

步骤5：切换多波长光源中的滤光片，重复步骤(2)-(4)，获得不同波长处待测透镜的射率值。

一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，其特征在于：所述步骤1具体如下：

步骤（1）：使用像散探头测量待测透镜表面，将其表面移动至像散探头的测量范围内；

步骤（2）：等距移动像散探头，保存探头位置及对应的光斑形状；

步骤（3）：测量其它待测透镜表面来进行测试，当表面位于测量范围内时，比较光斑与步骤(2)中保存光斑的相似性，选择最相似光斑对应的探头位置作为测量结果。

本发明的有益效果在于：通过使用像散探头测量透镜两个表面顶点之间的光程差，结合已知透镜厚度及面形，可获得透镜折射率；相比传统测量设备，本发明为非接触测量，不会损伤表面，且装置简单，具有高性价比，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的测量原理图。

图3为本发明中多波长光源的示意图。

图4为本发明中像散探头的示意图

附图标记列表：

1-上位机、2-控制器、3-多波长光源、4-三爪自定心夹持器、5-待测透镜、6-像散探头、7-电动平移台模块、31-白光LED、32-滤光片组、33-电动转轮、34-光纤、61-光纤SMA连接器、62-显微物镜、63-分光镜、64-柱面镜、65-面阵相机。

实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图所示，一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，包括上位机1、控制器2、多波长光源3、三爪自定心夹持器4、待测透镜5、像散探头6和电动平移台7；上位机用于与控制器以及像散探头信号连接；控制器用于控制像散探头的光源照明和电动平移台的升降，控制器可同时读取电动平移台的位置数据并发送给上位机；多波长光源用于将白光LED出射光束经多个不同中心波长的滤光片后耦合入光纤，并传输给像散探头；三爪自定心夹持器用于将待测透镜固定在像散探头正下方；像散探头用于接收多波长光源的出射光纤，并确定每个波长处待测透镜两个表面顶点的位置；电动平移台用于带动像散探头做升降位移及沿待测透镜的光轴方向运动，并测量位移距离；上位机计算得到每个波长处待测透镜两个表面顶点之间的光程差，然后通过光程差以及已知待测透镜的厚度及面形，获得待测透镜不同波长处的折射率。

在本实施例中，上位机为一般桌面式或手提式个人计算机，使用Windows操作系统，提供至少一个USB2.0或3.0接口，当总的USB口少于2个时，需外接USB扩展口，用于与像散探头及控制器连接。

在本实施例中，控制器由开关电源、电机驱动器、可调恒流驱动模块和嵌入式处理模块组成；开关电源提供电机运动、嵌入式处理模块运行、及光源照明所需电源，其中电机使用24V电源，嵌入式处理模块及光源照明使用5V电源；电机驱动器用于提供电机运动的驱动信号，根据电机的种类确定具体的类型，一般使用步进电机驱动器；可调恒流驱动模块用于像散探头光源照明使用，用于连续调节驱动电流，模拟调节或PWM调节均可；嵌入式处理模块包括微处理器及FPGA，其中微处理器使用STM32单片机，FPGA使用Altera公司的低成本芯片，STM32单片机用于逻辑控制，FPGA用于读取平移台位置信号。

在本实施例中，多波长光源由白光LED31、滤光片组32、电动转轮33和光纤34组成；白光LED在可见光范围内具有连续光谱，功率大于1W；滤光片组包括多个不同中心波长的窄带滤光片，半高带宽小于10 nm，具体中心波长可根据用户需求确定；电动转轮用于安装窄带滤光片，由电机驱动绕固定轴旋转到指定位置时在光路中引入指定滤光片；光纤为单模光纤，白光LED出射光束经过滤光片后耦合入光纤进行传播，在出光端使用SMA接口。

在本实施例中，三爪自定心夹持器用于固定待测透镜，自定心误差低于20微米；待测透镜具有轴对称面形，在设置光谱范围内透过率应大于10%，测量前已知其面形及中心厚度。

在本实施例中，像散探头由光纤SMA连接器61、显微物镜62、分光镜63、柱面镜64和面阵相机65组成；光纤SMA连接器用于引入多波长光源的出射光纤；显微物镜具有长工作距离及高数值孔径，用于将光纤出射光束聚焦到待测元件的表面，其中工作距离与透镜厚度范围有关，一般需高于10mm，数值孔径与位置测量精度相关，一般需高于0.4；分光镜用于将照明及探测光路进行合束，可使用分光棱镜或者45度分光镜；柱面镜用于在光路中引入像散，使得原高斯光束在传播过程中长短轴形状发生变化，通过分析光斑可获得光束汇聚情况；面阵相机采集光斑形状，并将其传输至上位机。

在本实施例中，电动平移台模块由高精度单轴电动平移台及高精度光栅尺或线性位移计组成；电动平移台由步进电机或伺服电机驱动，行程为50mm；光栅尺或线性位移计测量范围不少于50mm，分辨率在1微米以内。

本发明一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量方法，包括以下步骤：

步骤1：标定像散探头在待测透镜上的光斑与位移之间的关系；

步骤2：将待测透镜上表面顶点移动至像散探头的测量范围内，根据像散探头测量结果及光栅尺或线性位移计位置，获得其上表面顶点位置；

步骤3：通过电动位移平台向下移动像散探头，使待测透镜下表面位于像散探头的测量范围内，并记录下表面顶点的位置；

步骤4：在光学设计软件中输入已知透镜表面曲率半径及厚度，优化折射率，使透镜光程与测量结果一致，优化折射率结果即作为输出结果；

步骤5：切换多波长光源中的滤光片，重复步骤(2)-(4)，获得不同波长处待测透镜的射率值。

在本实施例中，步骤1具体如下：

步骤（1）：使用像散探头测量待测透镜表面，将其表面移动至像散探头的测量范围内；

步骤（2）：等距移动像散探头，保存探头位置及对应的光斑形状；

步骤（3）：测量其它待测透镜表面来进行测试，当表面位于测量范围内时，比较光斑与步骤(2)中保存光斑的相似性，选择最相似光斑对应的探头位置作为测量结果。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，其特征在于：包括上位机、控制器、多波长光源、三爪自定心夹持器、待测透镜、像散探头和电动平移台；

所述上位机用于与控制器以及像散探头信号连接；

所述控制器用于控制像散探头的光源照明和电动平移台的升降，所述控制器可同时读取电动平移台的位置数据并发送给上位机；

所述多波长光源用于将白光LED出射光束经多个不同中心波长的滤光片后耦合入光纤，并传输给像散探头；

所述三爪自定心夹持器用于将待测透镜固定在像散探头正下方；

所述像散探头用于接收多波长光源的出射光纤，并确定每个波长处待测透镜两个表面顶点的位置；

所述电动平移台用于带动像散探头做升降位移，并测量位移距离；

所述上位机计算得到每个波长处待测透镜两个表面顶点之间的光程差，然后通过光程差以及已知待测透镜的厚度及面形，获得待测透镜不同波长处的折射率；

所述像散探头由光纤SMA连接器、显微物镜、分光镜、柱面镜和面阵相机组成；所述光纤SMA连接器用于引入多波长光源的出射光纤；所述显微物镜具有长工作距离及高数值孔径，用于将光纤出射光束聚焦到待测元件的表面；所述分光镜用于将照明及探测光路进行合束，可使用分光棱镜或者45度分光镜；所述柱面镜用于在光路中引入像散，使得原高斯光束在传播过程中长短轴形状发生变化，通过分析光斑可获得光束汇聚情况；所述面阵相机采集光斑形状，并将其传输至上位机。

2.根据权利要求1所述的一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，其特征在于：所述上位机提供至少一个USB2.0或3.0接口，当总的USB口少于2个时，需外接USB扩展口，用于与像散探头及控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，其特征在于：所述控制器由开关电源、电机驱动器、可调恒流驱动模块和嵌入式处理模块组成；所述开关电源提供电机运动、嵌入式处理模块运行、及光源照明所需电源，其中电机使用24V电源，嵌入式处理模块及光源照明使用5V电源；所述电机驱动器用于提供电机运动的驱动信号，根据电机的种类确定具体的类型；所述可调恒流驱动模块用于像散探头光源照明使用，用于连续调节驱动电流，模拟调节或PWM调节均可；所述嵌入式处理模块包括微处理器及FPGA，其中微处理器使用STM32单片机，STM32单片机用于逻辑控制，FPGA用于读取平移台位置信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，其特征在于：所述多波长光源由白光LED、滤光片组、电动转轮和光纤组成；所述白光LED在可见光范围内具有连续光谱，功率大于1W；所述滤光片组包括多个不同中心波长的窄带滤光片，半高带宽小于10 nm；所述电动转轮用于安装窄带滤光片，由电机驱动绕固定轴旋转到指定位置时在光路中引入指定滤光片；所述光纤为单模光纤，白光LED出射光束经过滤光片后耦合入光纤进行传播，在出光端使用SMA接口。

5.根据权利要求1所述的一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，其特征在于：所述所述三爪自定心夹持器用于固定待测透镜，自定心误差低于20微米；所述待测透镜具有轴对称面形，在设置光谱范围内透过率应大于10%，测量前已知其面形及中心厚度。

6.根据权利要求1所述的一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，其特征在于：所述电动平移台模块由高精度单轴电动平移台及高精度光栅尺或线性位移计组成；所述电动平移台由步进电机或伺服电机驱动，行程为50mm；所述光栅尺或线性位移计测量范围不少于50mm，分辨率在1微米以内。

7.一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量方法，其特征在于：采用如权利要求1-6任意一项所述的基于多波长像散探头的透镜折射率测量装置，包括以下步骤：

步骤1：标定像散探头在待测透镜上的光斑与位移之间的关系；

步骤2：将待测透镜上表面顶点移动至像散探头的测量范围内，根据像散探头测量结果及光栅尺或线性位移计位置，获得其上表面顶点位置；

步骤3：通过电动位移平台向下移动像散探头，使待测透镜下表面位于像散探头的测量范围内，并记录下表面顶点的位置；

步骤4：在光学设计软件中输入已知透镜表面曲率半径及厚度，优化折射率，使透镜光程与测量结果一致，优化折射率结果即作为输出结果；

步骤5：切换多波长光源中的滤光片，重复步骤(2)-(4)，获得不同波长处待测透镜的射率值。

8.根据权利要求7所述的一种基于多波长像散探头的透镜折射率测量方法，其特征在于：所述步骤1具体如下：

步骤（1）：使用像散探头测量待测透镜表面，将其表面移动至像散探头的测量范围内；

步骤（2）：等距移动像散探头，保存探头位置及对应的光斑形状；

步骤（3）：测量其它待测透镜表面来进行测试，当表面位于测量范围内时，比较光斑与步骤(2)中保存光斑的相似性，选择最相似光斑对应的探头位置作为测量结果。