CN216559636U - 一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，包括激光器、空间滤波器、准直透镜、分光镜、标准球面镜、显微成像单元及探测器；激光器发射的激光经准直透镜后被自聚焦透镜成品反射形成参考光束；准直光束透射自聚焦透镜成品后被标准球面镜反射，再经自聚焦透镜成品形成测试光束；参考光束与测试光束叠加产生干涉条纹。采用自聚焦透镜前表面反射光与标准球面镜反射光的干涉条纹解析自聚焦透镜折射率分布，无需对自聚焦透镜进行切片处理，增加了自聚焦透镜折射率分布的检测效率，且避免了传统自聚焦透镜折射率分布检测方法中光学元件过多的问题，且其他光学元件的偏离对光程差的影响几乎相同，可克服环境的干扰。

Description

一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置

技术领域

本实用新型涉及折射率分布检测技术领域，具体涉及一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置。

背景技术

自聚焦透镜是一种折射率沿径向呈梯度变化的柱状光学元件，由于其独特的折射率分布特性，使其在微小光学成像系统、医疗设备、光纤耦合领域有着广泛的应用。其光学性能取决于它的折射率分布。

现有的针对自聚焦透镜的光学折射率分布的检测，通常需要对聚焦透镜进行切片处理，但是，对聚焦透镜进行切片处理会降低了检测效率，而且引入了切片的厚度误差。

因此，需要一种无需对自聚焦透镜进行切片处理检测装置检测自聚焦透镜的折射率分布。

实用新型内容

针对现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置。

本实用新型的技术方案概述如下：

本实用新型提供一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，包括激光器、空间滤波器、准直透镜、标准球面镜；待测的自聚焦透镜成品位于所述标准球面镜的前方，所述激光器发射的激光光束入射至所述空间滤波器后，经所述准直透镜将发散光束准直，准直光束被自聚焦透镜成品反射形成参考光束；准直光束透射自聚焦透镜成品后被所述标准球面镜反射，再次经自聚焦透镜成品形成测试光束；参考光束与测试光束相干叠加产生干涉条纹。

进一步地，所述自聚焦透镜成品的焦点位于所述标准球面镜的球心处。

进一步地，还包括分光镜，所述分光镜位于所述准直透镜与自聚焦透镜成品之间，用于透射激光与折转干涉光路。

进一步地，还包括显微成像单元；参考光束与测试光束相干叠加产生的干涉条纹经所述分光镜折转后入射至所述显微成像单元。

进一步地，还包括探测器，参考光束与测试光束相干叠加产生的干涉条纹经所述分光镜折转后入射至所述显微成像单元，之后成像于所述探测器。

进一步地，还包括衰减片，所述衰减片位于所述自聚焦透镜成品与标准球面镜之间，所述衰减片用于减弱测试光束光强，以增加干涉条纹的对比度。

进一步地，还包括图像处理单元，所述图像处理单元对干涉条纹进行处理，通过解析干涉条纹分布特征解出自聚焦透镜折射率分布。

进一步地，所述图像处理单元获取所述探测器采集的干涉条纹，以对干涉条纹进行处理。

进一步地，所述空间滤波器包括显微物镜，所述显微物镜对激光光束进行缩束。

进一步地，所述空间滤波器还包括针孔光阑；所述针孔光阑用于滤除会聚光束的高频信号并形成发散光束。

相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置中参考光束、测试光束共光路，属于斐索干涉光路，采用自聚焦透镜前表面反射光与标准球面镜反射光的干涉条纹解析自聚焦透镜折射率分布，无需对自聚焦透镜进行切片处理，直接对自聚焦透镜成品进行检测，增加了自聚焦透镜折射率分布的检测效率，且避免了传统自聚焦透镜折射率分布检测方法中光学元件过多的问题，且其他光学元件的偏离对光程差的影响几乎相同，可克服环境的干扰。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型中的一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置的示意图；

图2为本实用新型中的标准自聚焦透镜折射率分布与径向半径的曲线图；

图3为标准自聚焦透镜的光路轨迹图；

图4为中心与边缘折射率小于标准折射率差的光路轨迹图；

图5为本实用新型中自聚焦透镜光程差的数学模型图；

图6为本实用新型中的干涉条纹图；

图7为自聚焦透镜三维折射率分布曲面图。

附图标记：1、激光器；2、显微物镜；3、针孔光阑；4、准直透镜；5、分光镜；6、自聚焦透镜成品；7、衰减片；8、标准球面镜；9、显微成像单元；10、探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，本实用新型的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

接下来，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-7示，本实用新型的一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，包括激光器1、空间滤波器、准直透镜4、分光镜5、标准球面镜8、显微成像单元9及探测器10；还包括图像处理单元。

待测的自聚焦透镜成品6位于标准球面镜8的前方，且自聚焦透镜成品6的焦点位于标准球面镜8的球心处。

激光器1发射的激光光束入射至空间滤波器后，经准直透镜4将发散光束准直，准直光束被自聚焦透镜成品6反射形成参考光束；准直光束透射自聚焦透镜成品6后被标准球面镜8反射，再次经自聚焦透镜成品6形成测试光束。

分光镜5位于所述准直透镜4与自聚焦透镜成品6之间，用于透射激光与折转干涉光路。

参考光束与测试光束相干叠加产生干涉条纹，参考光束与测试光束相干叠加产生的干涉条纹经分光镜5折转后入射至显微成像单元9，之后成像于探测器10。

还包括衰减片7，衰减片7位于自聚焦透镜成品6与标准球面镜8之间，衰减片7用于减弱测试光束光强，以增加干涉条纹的对比度，形成对比度较高的干涉图像。

空间滤波器包括显微物镜2和针孔光阑3；显微物镜2对激光光束进行缩束，针孔光阑3用于滤除会聚光束的高频信号并形成发散光束。

显微成像单元9用于接收参考光束与测试光束相干叠加的干涉条纹并成像于探测器10。图像处理单元获取探测器10采集的干涉条纹，对探测器10采集的干涉条纹进行处理，通过解析干涉条纹分布特征解出自聚焦透镜折射率分布。

具体地，图像处理单元对探测器10采集的干涉条纹进行处理，通过解析干涉条纹分布特征解出自聚焦透镜折射率分布的过程包括：

经分光镜5折转后成像后形成的干涉图像与光程差Δ相关，

Δ＝mλ

其中，m为干涉级次，λ为激光波长；

通过干涉图像得到光程差Δ；

利用光的干涉原理得到光程差Δ的第一关系模型如下：

其中，R为标准球面镜8的曲率半径，θ为光线在自聚焦透镜成品6中传播轨迹终点出射方向的切线与水平面的夹角，β为入射角；θ和β与实际中心折射率n'₀存在第二关系模型、第三关系模型，根据第一关系模型及第二关系模型、第三关系模型可得到实际中心折射率n'₀；

根据实际中心折射率n'₀可得到自聚焦透镜成品6的实际折射率分布曲线。

优选地，第二关系模型为：

第三关系模型为：

其中，r’为光线的终点坐标，p’为光线在自聚焦透镜成品6中传播轨迹终点的光线切线与水平面夹角θ的正切值，r为自聚焦透镜成品6的径向半径，n_r为自聚焦透镜成品6的折射率分布函数，

A为聚焦常数。

优选地，第二关系模型、第三关系模型的获得过程为：

自聚焦透镜成品(6)的光线传播轨迹由矩阵表示：

其中，r’和r为光线的终点与起点的径向坐标，p’与p为光线在自聚焦透镜中传播轨迹终点与起点的光线切线与水平面夹角θ的正切值，设自聚焦透镜成品6直径为d，长度Z与其折射率分布相关：

当平行光入射自聚焦透镜时，p＝0，则光线终点坐标为：

当实际中心折射率n'₀低于标准中心折射率时，光线的终点坐标为：

即第二关系模型；

其中，n'₀是有偏差的实际中心折射率；当折射率发生偏差时，光线的传播轨迹发生变化，光程差也发生变化，参考自聚焦透镜成品6的光程差的数学模型，可得入射角β：

即第三关系模型。

具体地，当折射率发生偏差时，光线的传播轨迹发生变化，光程差也发生变化，可参考图5所示的自聚焦透镜的光程差数学模型，其光程差可表示为：

Δ＝AP+BP-2OP

设R为标准球面镜的曲率半径，θ为光线在自聚焦透镜中传播轨迹终点出射方向的切线与水平面的夹角，在ΔACP中，由正弦定理可得入射角β：

在ΔAOP与ΔBOP中，由正弦定理可得AP与BP：

得光程差Δ的第一关系模型为：

由上式可得：光程差的大小取决于标准球面镜的曲率半径R、自聚焦透镜的中心与边缘折射率的差值。因此，根据光程差的变化可以获得类似牛顿环的干涉图像：

Δ＝mλ

如图6所示，当自聚焦透镜折射率不满足标准折射率时，参考光束与测试光束相干叠加形成牛顿环，各个黑白条纹间隔为半个波长，因此，可以根据干涉图像的条纹得到光程差，进一步解算自聚焦透镜的折射率分布，图7为复原的自聚焦透镜三维折射率分布曲面图。

本实用新型提供一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置中参考光束、测试光束共光路，属于斐索干涉光路，采用自聚焦透镜前表面反射光与标准球面镜反射光的干涉条纹解析自聚焦透镜折射率分布，无需对自聚焦透镜进行切片处理，直接对自聚焦透镜成品进行检测，增加了自聚焦透镜折射率分布的检测效率，且避免了传统自聚焦透镜折射率分布检测方法中光学元件过多的问题，且其他光学元件的偏离对光程差的影响几乎相同，可克服环境的干扰。

需要说明的是：上述本实用新型实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

上述说明已经充分揭露了本实用新型的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，包括激光器（1）、空间滤波器、准直透镜（4）、标准球面镜（8）；待测的自聚焦透镜成品（6）位于所述标准球面镜（8）的前方；

所述激光器（1）发射的激光光束入射至所述空间滤波器后，经所述准直透镜（4）将发散光束准直，准直光束被自聚焦透镜成品（6）反射形成参考光束；准直光束透射自聚焦透镜成品（6）后被所述标准球面镜（8）反射，再次经自聚焦透镜成品（6）形成测试光束；参考光束与测试光束相干叠加产生干涉条纹。

2.如权利要求1所述的自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，所述自聚焦透镜成品（6）的焦点位于所述标准球面镜（8）的球心处。

3.如权利要求1所述的自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，还包括分光镜（5），所述分光镜（5）位于所述准直透镜（4）与自聚焦透镜成品（6）之间，用于透射激光与折转干涉光路。

4.如权利要求3所述的自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，还包括显微成像单元（9）；参考光束与测试光束相干叠加产生的干涉条纹经所述分光镜（5）折转后入射至所述显微成像单元（9）。

5.如权利要求4所述的自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，还包括探测器（10），参考光束与测试光束相干叠加产生的干涉条纹经所述分光镜（5）折转后入射至所述显微成像单元（9），之后成像于所述探测器（10）。

6.如权利要求1所述的自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，还包括衰减片（7），所述衰减片（7）位于所述自聚焦透镜成品（6）与标准球面镜（8）之间，所述衰减片（7）用于减弱测试光束光强，以增加干涉条纹的对比度。

7.如权利要求5所述的自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，还包括图像处理单元，所述图像处理单元对干涉条纹进行处理，通过解析干涉条纹分布特征解出自聚焦透镜折射率分布。

8.如权利要求7所述的自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，所述图像处理单元获取所述探测器（10）采集的干涉条纹，以对干涉条纹进行处理。

9.如权利要求1所述的自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，所述空间滤波器包括显微物镜（2），所述显微物镜（2）对激光光束进行缩束。

10.如权利要求9所述的自聚焦透镜成品的折射率分布检测装置，其特征在于，所述空间滤波器还包括针孔光阑（3）；所述针孔光阑（3）用于滤除会聚光束的高频信号并形成发散光束。

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