CN204479272U - 一种焦距测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种焦距测量仪，包括依次设置在主光轴上的照明系统、玻罗板、准直物镜和接收器；玻罗板设置于准直物镜的焦面上，形成平行光管；该测量仪还包括共焦镜，设置于准直物镜和接收器之间的主光轴上，共焦镜的横向放大倍率为与物距无关的定值，测量时被测光学系统位于准直物镜和共焦镜之间。本实用新型不需要加显微镜，正负透镜均能测量，结构简单，能简化测量和调试过程，操作方便，同时测量精度高。

Description

一种焦距测量仪

技术领域

本实用新型属于光学设备测试领域，具体涉及一种新型光学系统焦距测量仪。

背景技术

焦距是光学系统最重要的参数，焦距大多用焦距仪测量。传统的焦距仪采用玻罗板(刻有几对间隔已知标记的平板玻璃)置于准直物镜的焦面上，玻罗板被照明后呈平行光，成一次像在被测光学系统的焦面上；在被测光学系统后有显微镜，在若干个倍率已知的显微物镜中选择合适的显微物镜，并移动显微物镜与探测器，使一次像转化为二次实像成像在探测器的接收面上；在探测器上读出标记像的间隔，求得被测光学系统的焦距。由于其采用多个显微镜，结构比较复杂，而且要不断更换显微镜，再移动找像，影响其自动化的程度和测量时间。还有一种焦距仪不加显微物镜，探测器直接移动接收一次实像来测量焦距，但往往移动范围很大，而且不能测负透镜。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种新型焦距测量仪，以简化其结构和操作，并提高其自动化程度，扩大测量范围。

本实用新型的技术方案为：一种焦距测量仪，包括依次设置在主光轴上的照明系统、玻罗板、准直物镜和接收器；玻罗板设置于准直物镜的焦面上，形成平行光管；该测量仪还包括共焦镜，设置于准直物镜和接收器之间的主光轴上，共焦镜的横向放大倍率为与物距无关的定值，测量时被测光学系统位于准直物镜和共焦镜之间。

所述共焦镜由前后两组透镜组成，前后两组透镜的光学间隔Δ＝0。所述共焦镜前后两组透镜都为正透镜。共焦镜筒长为前后两组透镜焦距之和，采用细牙螺旋用于精密调焦。

所述接收器为面阵光电耦合器。接收器安装于滑块上，通过滑块接收器能够在导轨上移动接收信号。

该测量仪还包括数据采集及处理系统，其用于记录接收器上玻罗板标记像的间距，并计算被测透镜焦距。

本实用新型还提供一种共焦镜，由前后两组透镜组成，前组的像方焦面与后组的物方焦面精确重合，用于定横向放大倍率变物距的成像测量。

本实用新型原理为：玻罗板被照明后呈平行光，成一次像在被测光学系统的焦面上，再通过共焦镜成二次实像，移动光电接收器(探测器)至此实像面，在探测器上读出这二次标像的间隔，求得被测光学系统的焦距。下式为被测透镜焦距的计算公式：

$f^{\′}=\mathrm{\β}{f^{\′}}_0\frac{y^{\′\′}}{y}---\left(1\right)$

式中，f₀'为准直透镜焦距，y为玻罗板标记间距，y"为光电接收元件上玻罗板标记像的读出间距，β为共焦镜的横向放大倍率。

本实用新型的共焦镜为一个变物距定横向放大倍率的成像系统，由前后两组透镜组成，前组的像方焦面与后组的物方焦面精确重合，光学间隔Δ＝0，组合系统焦距无穷大，形成望远镜形式，但是本实用新型是用于有限远。

共焦镜成像与一般透镜成像不同，一般光学系统成像中物距变化时放大倍率是变化的，测量仪器中选用的定倍率透镜是靠物像距固定来实现的。在物体位置变化时，移动透镜与接收器，至物距为所需值。而焦距测量时物距变化是很大的，故共焦镜特别适合这种焦距测量。

本实用新型的共焦镜原理如下：设共焦镜前后组透镜焦距为f₁’与f₂’，物像面的牛顿物像距为x₁与x₂'，

成像位置：根据牛顿公式 ${x_1}^{\′}=\frac{{f_1}^{\′}{f}_1}{x_1},{x_2}^{\′}=\frac{{f_2}^{\′}{f}_2}{x_2};$ 又，光学间隔Δ＝0时x₂＝x₁'可得：

${x_2}^{\′}=\frac{{f_2}^{\′}{f}_2}{f_1{f_1}^{\′}}{x}_1---\left(2\right)$

即像面距后组透镜像方焦点的距离与物面距前组透镜物方焦点的距离比为后组透镜焦距与前组透镜焦距比的平方。

共焦镜的横向放大倍率：前后两组的放大倍率为 ${\mathrm{\β}}_2=-\frac{f_2}{x_2};$ 可得总放大率为 $\mathrm{\β}=-\frac{{f_2}^{\′}}{{f_1}^{\′}}---\left(3\right).$

像的放大率为两组焦距之比，且当两组透镜都为正透镜时，为倒像。当共焦系统确定后，放大倍率是一定的，与物距无关。不论物距是多少，像的大小都唯一的确定。若两组透镜焦距相同，β＝-1。

系统的轴向放大倍率：由式(2)可知，轴向放大率为焦距比的平方，当放大倍率小于1时，物距变化大，像距变化小，可用于焦距测量。

因此，只须加入共焦系统，就可以方便的用测量正透镜的方法测负透镜，如图2。

本实用新型的焦距测量仪是在现有的测量仪上通过加装变物距定倍率的共焦镜代替若干个显微物镜测量光学透镜的焦距。通过本实用新型的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本实用新型的共焦镜，可用于定倍率变物距的测量；

2)本实用新型提供的基于定倍率变物距共焦镜的焦距测量仪，通过一个共焦镜能代替若干个显微物镜，简化了结构；

3)只须移动探测器接收，简化了测量和调试过程，操作更方便；

4)较直读式焦距测量仪，正负透镜均能测量，扩大了测量范围，测量精度高，并缩小了导轨长度。

附图说明

图1是本实用新型的基于共焦镜的焦距测量仪结构示意图；

图2是本实用新型的焦距测量仪进行焦距测量时光路图；

图3是最小被测焦距与共焦镜关系示意图；

图4是本实用新型的共焦镜结构图。

其中：1为照明系统，2为滤光片，3玻罗板，4为平行光管，5为被测光学系统，6为共焦镜(6-1为前组物镜，6-2为后组透镜)，7为接收器，8为导轨，9为工作台，10为滑块，11为支架，12细牙螺纹，13锥端紧定螺钉。

具体实施方式

以下结合附图及实例，对本实用新型进行进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型的焦距测量仪，包括依次设置在主光轴上的照明系统1、玻罗板3、准直物镜、共焦镜6和接收器7。玻罗板3设置于准直物镜的焦面上，形成平行光管4。

共焦镜6的横向放大倍率为与物距无关的定值，如图4，共焦镜6可以由前后两组透镜(6-1、6-2)组成，前后两组透镜的光学间隔Δ＝0。

接收器7安装于滑块10上，通过滑块10接收器7能够在导轨8上移动接收信号。

进行焦距测量时，照明系统与平行光管提供轴上光；被测光学透镜位于准直物镜和共焦镜之间，与共焦镜靠近。使光电接收器沿主光轴运动，直至光电接收器获得清晰的玻罗板刻线成像。此时测试光路如图2所示。

被测光学系统的焦距f'按照式(1)计算：玻罗板上一对标记的距离已知，数值为y；测出接收器上标记对应的像的间隔y"，在探测器上的多组刻线成像中，选择距离最大的刻线作为间隔y"，使得相对测量误差最小；平行光管的准直透镜的焦距已知，为f₀'；共焦镜的横向放大倍率为β。

在焦距测量中，共焦镜的放大倍率与焦距按下述方法选取：主要由测量范围与工作距决定，要求接收器接收实像。被测透镜与共焦镜紧靠时，高斯物距l₁即为被测透镜焦距f'，高斯像距l₂'为工作距。

l₂'＝β²(f'+f₁')+f₂'    (4)

实像要求l₂'>0，即高斯物距l₁满足：

$f^{\′}>\frac{{f_1}^{\′}+{f_2}^{\′}}{\mathrm{\β}}---\left(5\right)$

式(5)为探测器直接测量的极限焦距。

当β＝-1，f'>-2 f₂'；当β＝-1/2,f'>-6 f₂'当β＝－2， $f^{\′}>-\frac{3}{4}{f_2}^{\′}.$

常常采用两组正透镜，β<0。被测透镜为正透镜时可以满足要求，此时主要考虑结构大小，像的位置不宜太远，当被测焦距f'较大时，取β<-1，前组焦距大于后组焦距。对负透镜焦距的限制如式(5)，即为负透镜的测量范围。

当测量焦距很小时，可以反向用，后组焦距大于前组焦距。焦距不宜长，因它将增加仪器的结构长度。

仅用于扩展到负透镜焦距测量时，可用-1倍共焦镜，将仪器的正透镜焦距测量设计确定后用于负透镜焦距测量。

共焦镜对被测焦距的限制关系如图3。

本实用新型共焦镜的结构设计：筒长为两组焦距之和；机械加工上要保证两个透镜的同心度；不设视场光阑；要有精密调焦装置，一般用细牙螺旋实现。

调焦方法：首先用观察清楚无穷远物体作为粗调；然后测量放大倍率，将标准线对，如4mm线对作为物，转动调焦螺旋，使刻线直接成像在光电探测器上，检查像与物的倍率；最后改变物距，测量不同物距的像，像的大小应不变。

以下为利用本实用新型进行焦距测量的实例：

实例1

基于定倍率变物距共焦镜的焦距测量仪，测量范围为(-300)-(-10mm)，(+10)-(+800)mm。采用与原有焦距仪相同的一些元件：准直物镜的焦距为300mm，玻罗板上有4对刻线，间隔分别为27、13.5、6、3mm，光电接收器为1/3"面阵CCD，其分辨率为1292×964，象元大小为3.75μm×3.75μm。根据精度与CCD大小，要求玻罗板在上的刻线像间隔要大于1.8mm，刻线像间隔小于4.8mm。取导轨的移动范围为300mm。

分析与设计：对于800mm焦距透镜的测量要加入一个缩小共焦镜，取为β＝-1/2，由f’＝-300mm代入式(5)得f₂’>50mm，取f₂’＝60mm，f₁’＝120mm。

对于10mm焦距透镜的测量要加入一个放大共焦镜，将上面所述共焦镜反向放置，此时β＝-2。

β为不同值时可测焦距范围如表1。

表1不同β值时可测焦距范围

由式(4)取导轨的移动范围为300mm。

对焦距为300±1％mm的透镜测得为298.7mm，对焦距为-80.5±1％mm的透镜测得为-80.9mm。

实例2

某CCD直读式焦距仪原没有加显微物镜，仅用于正焦距透镜测量。现拟测量焦距200mm内的负透镜。

加入显微物镜可测量负透镜，但是，显微物镜的放大倍率改变了同样大小正透镜测量时玻罗板与被测焦距的对应倍率关系。现采用加入-1倍共焦镜的方法。采用的共焦成像系统由两个相同的胶合正透镜组成，可以在一次上盘中制作，镀所需光谱的增透膜。焦距为120mm，通光口径为36mm，共焦镜装配图如图4。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种焦距测量仪，包括依次设置在主光轴上的照明系统、玻罗板、准直物镜和接收器；玻罗板设置于准直物镜的焦面上，形成平行光管，其特征在于该测量仪还包括共焦镜，设置于准直物镜和接收器之间的主光轴上，共焦镜的横向放大倍率为与物距无关的定值，测量时被测光学系统位于准直物镜和共焦镜之间。

2.根据权利要求1所述的焦距测量仪，其特征在于所述共焦镜由前后两组透镜组成，前后两组透镜的光学间隔Δ＝0。

3.根据权利要求2所述的焦距测量仪，其特征在于所述共焦镜前后两组透镜都为正透镜。

4.根据权利要求2或3所述的焦距测量仪，其特征在于所述共焦镜筒长为前后两组透镜焦距之和。

5.根据权利要求1、2或3所述的焦距测量仪，其特征在于所述共焦镜采用细牙螺旋用于精密调焦。

6.根据权利要求1所述的焦距测量仪，其特征在于所述接收器为面阵光电耦合器。

7.根据权利要求1或6所述的焦距测量仪，其特征在于接收器安装于滑块上，通过滑块接收器能够在导轨上移动接收信号。

8.根据权利要求1、2、3或6所述的焦距测量仪，其特征在于该测量仪还包括数据采集及处理系统，其用于记录接收器上玻罗板标记像的间距，并计算被测透镜焦距。