自準直式共焦透鏡焦距測量方法
2023-07-15 02:47:26
專利名稱：自準直式共焦透鏡焦距測量方法
技術領域：
本發明屬於光學精密測量技術領域，可用於透鏡焦距的檢測與光學系統裝配過程中的高精度焦距測量。
背景技術：
焦距測量是一個古老而經典的透鏡參數測量專題，其重要性當然是不言而喻的。 焦距是透鏡眾多參數中最重要的參數之一，對於透鏡設計而言，無非就是調整各個參數以保證透鏡焦距滿足設計要求並且成像性能滿足系統要求。透鏡焦距測量通常包括頂焦距測量和焦距測量，在系統的設計和裝調過程中，這兩個參數通常密不可分，所以就要求能同時對透鏡的頂焦距和焦距進行高精度的測量。且近些年來，隨著科學技術的迅猛發展，在實際應用中人們對所使用透鏡各種參數的精度也提出了越發嚴格的要求，這就要求我們不斷尋找一種能更高精度測量透鏡頂焦距和焦距的方法。針對透鏡頂焦距及焦距測量的方法，傳統的有目視調焦放大率法。該方法將被測透鏡放置於平行光管物鏡前，並將平行光管物鏡焦面上的分劃板的一對刻線成像在被測透鏡焦面上，通過測量放大後刻線的間距進而求得被測透鏡的焦距。該方法由於需要測量人員在光具座上逐項進行目視定焦、觀測、記錄、分析處理數據，所以存在效率低、測值不穩定等缺點，其測量準確度通常為O. 3%左右。近些年隨著光電技術及計算機處理技術的發展， 該方法已逐步被一種採用光電探測器和數字圖像處理測量透鏡頂焦距及焦距的方法所替代。由於該方法避免了測量過程中由人為因素產生的誤差，系統的測量精確度得到了很大程度的提高。此外，測量透鏡頂焦距及焦距的方法還有自準直望遠鏡法和自準直顯微鏡法兩種，這兩種方法均是通過將被測透鏡放置在自準直儀上來實現。用自準直顯微鏡測量正透鏡頂焦距和焦距的準確度較常用的放大率法高出5 30倍，而且設備簡單。自準直望遠鏡法較多用於測量負透鏡的焦距和頂焦距，還用於測量甚長焦距的正透鏡的焦距，但其測量準確度較低。當然，除上述三種經典的透鏡頂焦距及焦距測量方法之外，國內外學者還提出了很多新的測量方法，發表的文獻包括發表在《中國測試技術》中的《泰伯-莫爾法測量長焦距系統的焦距》，發表在《光子學報》中的《Ronchi光柵Talbot效應長焦距測量的準確度極限石開究》，發表在《The Optical Society of America》中的《Focal length measurements for the National Ignition Facility large lenses》，發表在《APPLIED OPTICS》中的 ((Talbot interferometry for measuring the focal length of a lens〉〉等，本發明人也曾在《OPTICS EXPRESS》中發表文章《Laser differential confocal ultra-long focal length measurement)).但以上文獻提出的透鏡頂焦距及焦距測量方法均僅適用於測量超長焦距，若用於一般焦距及較短焦距的測量，則或誤差較大或無法實現。近年來，國內外顯微成像領域的共焦技術迅速發展，與傳統的測量方法相比具有良好的層析能力，較高的軸向定位瞄準精度，較強的環境抗幹擾能力；與差動共焦技術相比，共焦技術光路簡單，易於實現。本發明人在共焦顯微成像技術的啟發下，率先提出將共焦測量技術應用於元件參數測量領域，利用共焦技術的高軸向解析度提高元件參數的檢測精度，現已申請多項國家發明專利，例如專利「共焦透鏡中心厚度測量方法與裝置」(專利號:201010128449. 8)，專利「共焦鏡組軸向間隙測量方法與裝置」(專利號 201010128405. 5)等。本發明是基於共焦技術的又一元件參數測量方法，該技術相比於傳統測量方法具有測量精度高、抗幹擾能力強及光路簡單等諸多優點，並且該技術易與環形光瞳濾波器等技術融合，能更進一步提高其測量精度。
發明內容
為了提高透鏡頂焦距及焦距的測量精度，本發明提出一種自準直式共焦透鏡焦距測量方法，將自準直思想融入共焦測量方法，進而實現透鏡頂焦距及焦距的高精度測量。其核心思想是，引入輔助平面反射鏡將被測透鏡準直成的平行光束沿原光路反射折回，並配合共焦技術對被測透鏡的焦點及表面頂點進行精確定位，進而得到被測透鏡的頂焦距及焦距。本發明的目的是通過下述技術方案實現的。本發明的一種自準直式共焦透鏡焦距測量方法，包括以下步驟(a)打開點光源，其發出的光經分光鏡、準直透鏡後形成平行光束，該平行光束經會聚透鏡會聚後形成測量光束照射在被測透鏡上。輔助平面反射鏡放置於被測透鏡後方， 透過被測透鏡的光束被輔助平面反射鏡反射。反射回來的光經被測透鏡、會聚透鏡和準直透鏡後由分光鏡反射進入共焦測量系統；(b)被測透鏡與輔助平面反射鏡組成被測系統，移動被測系統能使被測透鏡和輔助平面反射鏡同時沿光軸方向移動。調整被測透鏡，使其與測量光束共光軸，調整輔助平面反射鏡，使其表面與測量光束光軸相垂直；(C)沿光軸方向移動被測系統，使測量光束的聚焦焦點與被測透鏡焦點接近。當測量光束聚焦焦點與被測透鏡的焦點重合時，測量光束經被測透鏡準直後再次形成平行光束照射在輔助平面反射鏡上，輔助平面反射鏡將照射在其表面上的光束沿原光路反射折回。在該位置附近掃描被測系統，由共焦測量系統測得共焦響應曲線，通過共焦響應曲線的最大值點來確定測量光束的聚焦焦點與被測透鏡焦點相重合，進而精確確定被測透鏡的焦點位置，記錄此時被測系統的位置Z1 ;(d)繼續沿光軸方向移動被測系統，使測量光束聚焦於被測透鏡表面附近。在該位置附近掃描被測系統，由共焦測量系統測得共焦響應曲線，通過共焦響應曲線的最大值點來確定測量光束的聚焦焦點與被測透鏡表面相重合，進而精確確定被測透鏡表面頂點位置，記錄此時被測系統的位置Z2 ;(e)根據上述兩次定焦得到的被測系統位置Zl、Z2,即可得到被測透鏡的頂焦距
Ijj — I Zj-Z2 I O本發明所述的自準直式共焦透鏡焦距測量方法，還可以用來測量被測透鏡焦距 根據被測透鏡前表面曲率半徑F1、後表面曲率半徑r2、折射率η和厚度b，可間接測得被測透鏡的焦距
本發明所述的自準直式共焦透鏡焦距測量方法，還可以在光路中增加環形光瞳對測量光束進行調製，形成環形光束，減弱定焦時波相差對測量光束的影響，提高定焦精度。本發明所述的自準直式共焦透鏡焦距測量方法，還可以在測量光束中增加焦深壓縮光學系統，使其與共焦測量系統配合工作，提高定焦靈敏度。本發明所述的自準直式共焦透鏡焦距測量方法，還可以對點光源發出的光進行光強調製，由共焦測量系統中的光強傳感器探測得到受調製的共焦響應信號，將該調製信號解調後得到共焦響應曲線，從而提高系統的定焦靈敏度。有益效果本發明對比已有技術具有以下創新點I.首次將自準直測量思想融入共焦測量方法中，利用共焦響應曲線的過最大值點精確確定被測透鏡的焦點及表面頂點位置，進而測得被測透鏡的頂焦距及焦距；2.本測量方法中，共焦原理以光強響應曲線作為定焦判據，並配合共焦系統進行光強調製與濾波，能有效削減空氣擾動等環境幹擾對測量精度的影響；3.在光路中引入環形光瞳，遮擋近軸光線，形成空心的測量光錐，削減了像差對測量結果的影響。本發明對比已有技術具有以下顯著優點I.共焦技術以軸向的光強響應曲線作為評價尺度，由於光學系統的物距變化引起的軸向放大率變化是垂軸放大率變化的平方，所以本發明相比放大率法等焦距測量方法具有更高的測量精度；2.共焦測量系統光路簡單，易於實現，可有效降低系統研發成本；3.經系統準直透鏡出射的平行光束的平行度對測量精度影響較小。
圖I為本發明自準直式共焦透鏡焦距測量方法的示意圖；圖2為本發明自準直式共焦透鏡焦距測量實施例的示意圖；圖3為本發明由共焦測量系統探測得到的共焦響應曲線；其中1_點光源、2-分光鏡、3-準直透鏡、4-環形光瞳、5-會聚透鏡、6-測量光束、 7-被測透鏡、8-輔助平面反射鏡、9-被測系統、10-共焦測量系統、11-針孔、12-光強傳感器、13-顯微物鏡、14-CCD探測器、15-點光源發生裝置、16-光纖、17-雷射器、18-主控計算機、19-圖像採集卡、20-機電控制裝置、21-直線平移導軌、22-平移塊、23-四維調整架、 24-二維調整架。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明使用一種基於共焦測量技術的透鏡焦距及頂焦距測量方法，顯著提高了對被測透鏡焦點及頂點的定位精度。其核心思想是，引入輔助平面反射鏡將被測透鏡準直成的平行光束沿原光路反射折回，並配合共焦技術對被測透鏡的焦點及表面頂點進行精確定位，進而測得被測透鏡的頂焦距及焦距。實施例I當被測透鏡7是口徑為D = 25. 4mm、前表面曲率半徑Γι = 90. 1mm、後表面曲率半徑]"2 = -115. 4mm、材料為K9玻璃、厚度b = 4mm、標稱焦距及頂焦距分別為f' = 99ι πι、1/ =97. 5mm的凸透鏡時，自準直式共焦透鏡焦距測量裝置如圖2所示，其測量步驟是(a)啟動主控計算機18中的測量軟體，打開雷射器17，雷射器17所發出的光經光纖16傳輸後形成點光源I。點光源I發出的光經分光鏡2和準直透鏡3後形成平行光束, 該平行光束經會聚透鏡5會聚後形成測量光束6 ；(b)將被測透鏡7放置於四維調整架23上，輔助平面反射鏡8放置於二維調整架 24上，四維調整架23和二維調整架24同時固定在直線平移導軌21的平移塊22上，平移塊 22可同時帶動被測透鏡7和輔助平面反射鏡8沿光軸方向移動；(c)通過四維調整架23調整被測透鏡7與測量光束6共光軸，通過二維調整架24 調整輔助平面反射鏡8的表面與測量光束光軸相垂直。此時透過被測透鏡7的光束被輔助平面反射鏡8的表面所反射；(d)主控計算機18中的測量軟體通過機電控制裝置20控制直線平移導軌21上的平移塊22軸向平移，進而帶動被測透鏡7和輔助平面反射鏡8沿光軸方向移動。將平移塊 22移動到被測透鏡7的焦點與測量光束6的聚焦焦點接近，當測量光束6聚焦焦點與被測透鏡7的焦點重合時，測量光束6經被測透鏡7準直後再次形成平行光束照射在輔助平面反射鏡8上，輔助平面反射鏡8將照射在其表面上的光束沿原光路反射折回。然後在該位置附近掃描被測透鏡7和輔助平面反射鏡8，測量軟體通過圖像採集卡19採集得到焦點光斑數據並處理出如附圖3所示的共焦響應曲線。通過共焦響應曲線的最大值點來確定測量光束6的聚焦焦點與被測透鏡7的焦點相重合，進而精確確定被測透鏡7的焦點位置，此時平移塊22的位置Z1 = 100. 3862mm ；(e)繼續通過平移塊22將被測透鏡7和輔助平面反射鏡8沿光軸方向移動，使測量光束6聚焦於被測透鏡7表面附近。在該位置附近掃描被測透鏡7和輔助平面反射鏡8， 測量軟體再次通過圖像採集卡19採集得到焦點數據並處理出如附圖3所示的共焦響應曲線。通過共焦響應曲線的最大值點來確定測量光束6的聚焦焦點與被測透鏡7表面相重合， 進而精確確定被測透鏡7表面頂點位置，此時平移塊22的位置為Z2 = 2. 8546mm ；(f)根據上述兩次定焦得到的平移塊22的位置ζι、ζ2，即可得到被測透鏡7的頂焦距1/ = I Z1-Z21 = 97. 5316mm。如附圖I所示，該自準直式共焦透鏡焦距測量方法中的共焦測量系統10包括針孔 11和光強傳感器12。由分光鏡2反射回來的光進入共焦測量系統10後通過針孔11照射在光強傳感器12上。實際系統設計中，通常採用如附圖2中所示的共焦測量系統10降低系統裝調難度。該共焦測量系統10包括顯微物鏡13和CXD探測器14。其中顯微物鏡13 的物平面位於焦面，在其像平面放置CCD探測器14。由分光鏡2反射回來的光進入共焦測量系統10後通過顯微物鏡13成像在CXD探測器14上。實施例2根據被測透鏡7前表面曲率半徑1^ = 90. 1_、後表面曲率半徑1*2 = -115. 4_、折射率η = I. 5163、厚度b = 4mm,以及實施例I測得的透鏡頂焦距I/ = 97. 5316mm,可間接測得被測透鏡7的焦距
權利要求
1.自準直式共焦透鏡焦距測量方法，其特徵在於(a)打開點光源，其發出的光經分光鏡、準直透鏡後形成平行光束，該平行光束經會聚透鏡會聚後形成測量光束照射在被測透鏡上；輔助平面反射鏡放置於被測透鏡後方，透過被測透鏡的光束被輔助平面反射鏡反射；反射回來的光經被測透鏡、會聚透鏡和準直透鏡後由分光鏡反射進入共焦測量系統；(b)被測透鏡與輔助平面反射鏡組成被測系統，移動被測系統能使被測透鏡和輔助平面反射鏡同時沿光軸方向移動；調整被測透鏡，使其與測量光束共光軸，調整輔助平面反射鏡，使其表面與測量光束光軸相垂直；(c)沿光軸方向移動被測系統，使測量光束的聚焦焦點與被測透鏡焦點接近；當測量光束聚焦焦點與被測透鏡的焦點重合時，測量光束經被測透鏡準直後再次形成平行光束照射在輔助平面反射鏡上，輔助平面反射鏡將照射在其表面上的光束沿原光路反射折回；在該位置附近掃描被測系統，由共焦測量系統測得共焦響應曲線，通過共焦響應曲線的最大值點來確定測量光束的聚焦焦點與被測透鏡焦點相重合，進而精確確定被測透鏡的焦點位置，記錄此時被測系統的位置Z1 ；(d)繼續沿光軸方向移動被測系統，使測量光束聚焦於被測透鏡表面附近；在該位置附近掃描被測系統，由共焦測量系統測得共焦響應曲線，通過共焦響應曲線的最大值點來確定測量光束的聚焦焦點與被測透鏡表面相重合，進而精確確定被測透鏡表面頂點位置， 記錄此時被測系統的位置Z2 ；(e)根據上述兩次定焦得到的被測系統位置Zl、z2，即可得到被測透鏡的頂焦距I/=Z1-Z21。
2.根據權利要求I所述的自準直式共焦透鏡焦距測量方法，其特徵在於根據被測透鏡前表面曲率半徑F1、後表面曲率半徑r2、折射率n和厚度b，可間接測得被測透鏡的焦距
3.根據權利要求I或2所述的自準直式共焦透鏡焦距測量方法，其特徵在於在光路中增加環形光瞳對測量光束進行調製，形成環形光束，減弱定焦時波相差對測量光束的影響，提聞定焦精度。
4.根據權利要求I或2所述的自準直式共焦透鏡焦距測量方法，其特徵在於在測量光束中增加焦深壓縮光學系統，使其與共焦測量系統配合工作，提高定焦靈敏度。
5.根據權利要求I或2所述的自準直式共焦透鏡焦距測量方法，其特徵在於對點光源發出的光進行光強調製，由共焦測量系統中的光強傳感器探測得到受調製的共焦響應信號，將該調製信號解調後得到共焦響應曲線，從而提高系統的定焦靈敏度。
全文摘要
本發明屬於光學精密測量技術領域，涉及一種自準直式共焦透鏡焦距測量方法。該方法將自準直思想融入到共焦測量方法中，進而實現透鏡頂焦距及焦距的高精度測量。其核心思想是，引入輔助平面反射鏡將被測透鏡準直成的平行光束沿原光路反射，並配合共焦技術對被測透鏡的焦點及表面頂點進行精確定位，進而得到被測透鏡的頂焦距及焦距。本發明首次將自準直測量思想融入共焦測量方法，利用共焦響應曲線的最大值點精確確定被測透鏡的焦點及表面頂點位置，具有測量精度高、抗環境幹擾能力強等優點，可用於透鏡焦距的高精度檢測。
文檔編號G01M11/02GK102589852SQ20121001188
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者張鑫, 李志剛, 楊佳苗, 趙維謙, 邱麗榮 申請人:北京理工大學