反射式差動共焦透鏡焦距測量方法
2023-04-27 15:48:56 1
專利名稱：反射式差動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。該方法由於需要通過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0. 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差動共焦技術迅速發展，該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，所以該方法的靈敏度高於垂軸方向的評價方法，並且該方法採用光強作為數據信息，相比圖像處理方法具有更高的抗環境幹擾能力。例如中國專利「具有高空間解析度的差動共焦掃描檢測方法」(專利號200410006359. 6)，其提出了超分辨差動共焦檢測方法，使系統軸向分辨力達到納米級，並顯著提高了環境抗擾動能力。本發明人在差動共焦顯微成像技術的啟發下，率先提出將差動共焦測量技術應用於元件參數測量領域，利用差動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「差動共焦曲率半徑測量方法與裝置」(專利號200910082249. 0)，專利「基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法及裝置」(專利號201010105743. 7)，專利「差動共焦鏡組軸向間隙測量方法與裝置」(專利號 201010000553. 9)等。本發明是基於差動共焦技術的又一元件參數測量方法，該技術相比於以往測量方法具有測量精度高、抗幹擾能力強及智能化程度高等諸多優點，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，本發明提出一種反射式差動共焦透鏡焦距測量方法。該反射式差動共焦透鏡焦距測量方法的核心思想是，利用差動共焦測量技術並藉助平面反射鏡，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。本發明的一種反射式差動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、準直透鏡和被測透鏡後照射在平面反射鏡上，由平面反射鏡的表面反射，反射回來的光經被測透鏡和準直透鏡後由分光鏡反射進入差動共焦測量系統；(b)調整被測透鏡，使其與準直透鏡共光軸。準直透鏡將點光源產生的光準直成平行光。平行光照射在被測透鏡上，由被測透鏡會聚形成測量光束照射在平面反射鏡上。調整平面反射鏡，使其與準直透鏡共光軸；(C)沿光軸方向移動平面反射鏡，使測量光束的聚焦焦點與平面反射鏡表面接近。 在該位置附近掃描平面反射鏡，由差動共焦測量系統測得差動共焦響應曲線，通過差動共焦響應曲線的零點來確定測量光束的焦點與平面反射鏡的表面相重合，進而精確確定被測透鏡的焦點位置，記錄此時平面反射鏡的位置Z1 ;(d)將平面反射鏡沿光軸向被測透鏡方向移動，使測量光束由平面反射鏡反射後聚焦到被測透鏡表面附近。在該位置附近掃描平面反射鏡，由差動共焦測量系統測得差動共焦響應曲線，通過差動共焦響應曲線的零點來確定測量光束的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，記錄此時平面反射鏡的位置Z2 ;(e)根據上述兩次定焦得到的平面反射鏡位置Zl、Z2之間的距離d，即可測得被測透鏡的頂焦距I/ =2d。本發明所述的反射式差動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^、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
權利要求
1.反射式差動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、準直透鏡和被測透鏡後照射在平面反射鏡上， 由平面反射鏡的表面反射，反射回來的光經被測透鏡和準直透鏡後由分光鏡反射進入差動共焦測量系統；(b)調整被測透鏡，使其與準直透鏡共光軸；準直透鏡將點光源產生的光準直成平行光；平行光照射在被測透鏡上，由被測透鏡會聚形成測量光束照射在平面反射鏡上；調整平面反射鏡，使其與準直透鏡共光軸；(C)沿光軸方向移動平面反射鏡，使測量光束的聚焦焦點與平面反射鏡表面接近；在該位置附近掃描平面反射鏡，由差動共焦測量系統測得差動共焦響應曲線，通過差動共焦響應曲線的零點來確定測量光束的焦點與平面反射鏡的表面相重合，進而精確確定被測透鏡的焦點位置，記錄此時平面反射鏡的位置Z1 ;(d)將平面反射鏡沿光軸向被測透鏡方向移動，使測量光束由平面反射鏡反射後聚焦到被測透鏡表面附近；在該位置附近掃描平面反射鏡，由差動共焦測量系統測得差動共焦響應曲線，通過差動共焦響應曲線的零點來確定測量光束的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，記錄此時平面反射鏡的位置Z2 ;(e)根據上述兩次定焦得到的平面反射鏡位置Zl、Z2之間的距離d，即可測得被測透鏡的頂焦距V = 2d。
2.根據權利要求I所述的反射式差動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^、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所述的反射式差動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，降低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所述的反射式差動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，使其與差動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所述的反射式差動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，由差動共焦測量系統中的光強傳感器探測得到受調製的差動共焦響應信號，將該調製信號解調後得到差動共焦響應曲線，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，涉及一種反射式差動共焦透鏡焦距測量方法。該方法通過差動共焦測量方法配合平面反射鏡精確定位透鏡表面頂點和焦點位置，進而測得透鏡頂焦距及焦距。本發明首次提出通過差動共焦響應曲線過零點時對應被測透鏡焦點和表面頂點特性實現精確定焦，將差動共焦測量技術擴展到透鏡焦距測量領域，具有測量精度高、抗環境幹擾能力強的優點，可用於透鏡焦距的高精度檢測。
文檔編號G01M11/02GK102589854SQ201210011999
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
發明者吳華玲, 李佳, 楊佳苗, 趙維謙, 邱麗榮 申請人:北京理工大學