基于差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法及裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術涉及一種基于差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法及裝置，屬于光學精密測量技術領域，用于球面透鏡折射率和厚度的高精度測量。本發明專利技術基于光線追跡原理，利用激光差動共焦響應曲線的絕對零點來精確確定被測透鏡前表面與光軸交點、后表面與光軸交點以及有、無被測透鏡時測量鏡的位置，然后利用測量鏡的位置和預先測得的測量鏡的曲率半徑、焦距及光瞳大小，來對被測透鏡兩球面及參考反射面來進行逐面光線追跡計算，繼而實現被測透鏡的折射率和厚度的高精度無損測量。本發明專利技術具有操作簡單、測量精度高、抗環境干擾能力強等顯著優點，可以廣泛應用于各種球面透鏡的折射率和厚度測量，特別是薄透鏡的折射率和厚度測量領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法及裝置，屬于光學精密測量
，用于球面透鏡折射率和厚度的高精度測量。
技術介紹
球面透鏡是光學系統中最常用的元件，球面透鏡的折射率、曲率半徑和厚度是其基本參數，其直接決定透鏡的焦距、主平面位置、理論相差等性能參數，因而球面透鏡參數曲率半徑、透鏡厚度和折射率的測量一直是光學測量中最基本的測量問題。目前，關于透鏡曲率半徑的測量方法很多，但對于透鏡折射率和厚度的非接觸高精度測量方法卻很少。目前測量玻璃折射率的主要方法是V棱鏡法和直角照射法，并且上述兩種方法的測量精度很高，但其缺點是需要將透鏡的材料加工成特定的形狀，因而無法直接用于透鏡折射率的測量。上述方法適用于在制作透鏡以前，預先對該批次玻璃材料的折射率進行測量時使用，但由于玻璃材質自身的不均勻性，同一批次的玻璃折射率常存在一定差異，這對精密光學元件來說這種差異是不可忽略的，因此，對透鏡折射率和厚度進行非接觸的高精度測量是十分必要的。 針對透鏡折射率和厚度的測量，國內學者提出了無損的測量方法，發表的文獻主要包括《武漢測繪科技大學學報》的《透鏡折射率的高精度非接觸測量方法》，《哈爾濱理工大學學報》的《用環形橫向剪切干涉儀測量透鏡的折射率》。此類技術主要采用了浸液法，即調制不同折射率液體的混合比例使混合液體的折射率與被測透鏡匹配，利用阿貝法等方法測量混合液的折射率得到被測透鏡的折射率。該方法的測量精度比傳統透鏡成像測量方法有所提高，但其缺點是折射率液的調配過程繁瑣，厚度需要另行測量，需要輔助測量設備并且難以實現工程化。 國外的透鏡折射率和厚度測量方面，Eduardo A.Barbosa等學者在文獻《Refractive and geometric lens characterization through multi-wavelength digitalspeckle pattern interferometry》(Optics Communications，281，1022-1029，2008)中提出采用多模激光干涉的方法測量透鏡的折射率和厚度。該方法通過多步移相，采集到被測透鏡的兩個面的反射光的干涉圖樣，計算出透鏡折射率和厚度。該方法測量過程簡便，可以獨立測量，但其缺點是數據處理過程繁瑣，并且利用干涉成像，易受環境干擾，測量精度不高。Hiroyuki Suhara在《Interferometricmeasurement of the refractive-index distribution in plastic lenses by use ofcomputed tomography》(Applied Optics，41，25，2002)中提出使用浸液法與干涉法結合的方法測量透鏡折射率的方法。該方法對透鏡折射率的微小波動的測量達到了很高的精度，但其缺點是需要使用復雜的溫控系統，計算繁瑣，而且測量樣品的絕對折射率需要使用其他方法測量得到；并且該方法不能用來測量透鏡樣品的厚度。 近年來，國內外顯微成像領域的差動共焦技術快速發展，該技術以軸向的光強響應曲線作為評價尺度，靈敏度高于以垂軸方向響應為判斷依據的評價方法，并且由于采用光強作為數據信息，相比干涉法和浸液法具有更高的抗環境干擾能力。例如文獻《具有高空間分辨率的差動共焦掃描檢測方法》(國家專利200410006359.6)提出了超分辨差動共焦掃描檢測方法，使系統軸向分辨力達到納米級，并顯著提高了抗環境擾動能力，但差動共焦技術主要適用于微觀顯微測量領域，而將該項技術直接應用于定焦，繼而實現球面折射率和厚度測量，迄今為止尚未見到。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決已有技術存在的不足，提供一種基于差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法及裝置。本專利技術基于光線追跡原理，利用激光差動共焦響應曲線的絕對零點來精確確定被測透鏡前表面與光軸交點、后表面與光軸交點以及有、無透鏡時測量鏡的位置，然后利用測量鏡的位置和預先測得的測量鏡的曲率半徑、焦距及光瞳大小，來對被測透鏡兩球面及參考反射面來進行逐面光線追跡計算，繼而實現被測透鏡的折射率和厚度的高精度無損測量。 本專利技術的目的是通過下述技術方案實現的。 本專利技術的一種基于差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法，其具體步驟如下 步驟一、打開光源，生成平行的測量光束，測量光束穿過分光系統；調整被測透鏡與測量鏡同軸并調整測量鏡、被測透鏡與反射鏡垂直于平行光束； 步驟二、使測量光束聚焦到被測透鏡前表面；具體過程為 在步驟一操作的基礎上，測量光束被測量鏡匯聚，到達被測透鏡前表面，經過被測透鏡前表面的反射后，反射光線穿過測量鏡，經過分光系統的反射后進入差動共焦系統；在光軸方向上移動測量鏡，使差動共焦系統探測到的差動響應信號為零，此時測量光束聚焦到被測透鏡前表面，記錄此時測量鏡的位置Z1； 步驟三、使測量光束聚焦到被測透鏡后表面；具體過程為 在步驟一操作的基礎上，測量光束被測量鏡匯聚，到達被測透鏡后表面，經過被測透鏡后表面的反射后，反射光線穿過測量鏡，經過分光系統的反射后進入差動共焦系統；在光軸方向上移動測量鏡，使差動共焦系統探測到的差動響應信號為零，此時測量光束聚焦到被測透鏡后表面，記錄此時測量鏡的位置Z2； 步驟四、使測量光束穿過被測透鏡聚焦到反射鏡反射面；具體過程為 在步驟一操作的基礎上，測量光束被測量鏡匯聚，使匯聚光線穿過被測透鏡，達到反射鏡，并由反射鏡反射后，反射光線穿過被測透鏡和測量鏡，經過分光系統反射后進入差動共焦系統；在光軸方向上移動測量鏡，使差動共焦系統探測到的差動響應信號為零，此時測量光束聚焦到反射鏡反射面，記錄此時測量鏡的位置Z3； 步驟五、移除被測透鏡，使測量光束直接聚焦到反射鏡反射面；具體過程為 在步驟一操作的基礎上，測量光束被測量鏡匯聚，使匯聚光線直接到達反射鏡，并由反射鏡反射后，反射光線穿過測量鏡，經過分光系統反射后進入差動共焦系統；在光軸方向上移動測量鏡，使差動共焦系統探測到的差動響應信號為零，此時測量光束聚焦到反射鏡反射面，記錄此時測量鏡的位置Z4； 步驟六、得到被測透鏡的折射率n和厚度d； 由步驟二、三、四、五得到的測量鏡的位置Z1、Z2、Z3和Z4，結合被測透鏡前表面、后表面的曲率半徑r、測量鏡的焦距f′1及光瞳半徑R，使用光線追跡的方法精確獲得被測透鏡的折射率n和厚度d。 所述使用光線追跡的方法精確獲得被測透鏡的折射率n和厚度d的具體步驟為 第1步得到被測透鏡前表面與光軸交點到被測透鏡后表面與光軸交點的距離表達式，具體為 將公式1和公式2帶入到公式3，得到公式4； θ1＝arctan(ρ/f′1)(1) 其中，θ1為被測透鏡前表面入射光線與光軸的夾角；ρ為被測透鏡前表面入射光線與光軸的距離； l1＝|z2-z1| (2) 其中，l1為被測透鏡前表面入射光線與光軸的交點到被測透鏡前表面與光軸交點的距離 其中，θ1′為被測透鏡前表面出射光線與光軸的夾角；l′1為被測透鏡前表面出射光線與光軸的交點到被測透鏡前表面與光軸交點的距離，即被測透鏡前表面與光軸交點到被測透鏡后表面與光軸交點的距離，也本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法，其特征在于：其具體步驟如下：步驟一、打開光源（１），生成平行的測量光束，測量光束穿過分光系統；調整被測透鏡（６）與測量鏡（５）同軸并調整測量鏡（５）、被測透鏡（６）與反射鏡（７）垂直于平行光束；步驟二、使測量光束聚焦到被測透鏡前表面（１５）；具體過程為：在步驟一操作的基礎上，測量光束被測量鏡（５）匯聚，到達被測透鏡前表面（１５），經過被測透鏡前表面（１５）的反射后，反射光線穿過測量鏡（５），經過分光系統的反射后進入差動共焦系統（１４）；在光軸方向上移動測量鏡（５），使差動共焦系統（１４）探測到的差動響應信號為零，此時測量光束聚焦到被測透鏡前表面（１５），記錄此時測量鏡（５）的位置Ｚ↓［１］；步驟三、使測量光束聚焦到被測透鏡后表面（１６）；具體過程為：在步驟一操作的基礎上，測量光束被測量鏡（５）匯聚，到達被測透鏡后表面（１６），經過被測透鏡后表面（１６）的反射后，反射光線穿過測量鏡（５），經過分光系統的反射后進入差動共焦系統（１４）；在光軸方向上移動測量鏡（５），使差動共焦系統（１４）探測到的差動響應信號為零，此時測量光束聚焦到被測透鏡后表面（１６），記錄此時測量鏡（５）的位置Ｚ↓［２］；步驟四、使測量光束穿過被測透鏡（６）聚焦到反射鏡反射面（１７）；具體過程為：在步驟一操作的基礎上，測量光束被測量鏡（５）匯聚，使匯聚光線穿過被測透鏡（６），達到反射鏡（７），并由反射鏡（７）反射后，反射光線穿過被測透鏡（６）和測量鏡（５），經過分光系統反射后進入差動共焦系統（１４）；在光軸方向上移動測量鏡（５），使差動共焦系統（１４）探測到的差動響應信號為零，此時測量光束聚焦到反射鏡反射面（１７），記錄此時測量鏡（５）的位置Ｚ↓［３］；步驟五、移除被測透鏡（６），使測量光束直接聚焦到反射鏡反射面（１７）；具體過程為：在步驟一操作的基礎上，測量光束被測量鏡（５）匯聚，使匯聚光線直接到達反射鏡（７），并由反射鏡（７）反射后，反射光線穿過測量鏡（５），經過分光系統反射后進入差動共焦系統（１４）；在光軸方向上移動測量鏡（５），使差動共焦系統（１４）探測到的差動響應信號為零，此時測量光束聚焦到反射鏡反射面（１７），記錄此時測量鏡（５）的位置Ｚ↓［４］；步驟六、得到被測透鏡（６）的折射率ｎ和厚度ｄ；由步驟二、三、四、五得到的測量鏡（５）的位置Ｚ↓［１］、Ｚ↓［２］、Ｚ↓［３］和Ｚ↓［４］，結...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙維謙，王允，邱麗榮，沙定國，蘇大圖，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]