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的製作方法

2023-12-11 13:04:47

專利名稱：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的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種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，屬於光學精密測量技術領域，用於球面透鏡折射率和厚度的高精度測量。

背景技術：
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，關於透鏡曲率半徑的測量方法很多，但對於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稜鏡法和直角照射法，並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，因而無法直接用於透鏡折射率的測量。上述方法適用於在製作透鏡以前，預先對該批次玻璃材料的折射率進行測量時使用，但由於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《用環形橫向剪切幹涉儀測量透鏡的折射率》。此類技術主要採用了浸液法，即調製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，需要輔助測量設備並且難以實現工程化。
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)中提出採用多模雷射幹涉的方法測量透鏡的折射率和厚度。該方法通過多步移相，採集到被測透鏡的兩個面的反射光的幹涉圖樣，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，並且利用幹涉成像，易受環境幹擾，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幹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複雜的溫控系統，計算繁瑣，而且測量樣品的絕對摺射率需要使用其他方法測量得到；並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，靈敏度高於以垂軸方向響應為判斷依據的評價方法，並且由於採用光強作為數據信息，相比幹涉法和浸液法具有更高的抗環境幹擾能力。例如文獻《具有高空間解析度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，並顯著提高了抗環境擾動能力，但差動共焦技術主要適用於微觀顯微測量領域，而將該項技術直接應用於定焦，繼而實現球面折射率和厚度測量，迄今為止尚未見到。


發明內容
本發明的目的是為了解決已有技術存在的不足，提供一種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。本發明基於光線追跡原理，利用雷射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、後表面與光軸交點以及有、無透鏡時測量鏡的位置，然後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。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
本發明的一種基於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並調整測量鏡、被測透鏡與反射鏡垂直於平行光束； 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後，反射光線穿過測量鏡，經過分光系統的反射後進入差動共焦系統；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後表面；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，到達被測透鏡後表面，經過被測透鏡後表面的反射後，反射光線穿過測量鏡，經過分光系統的反射後進入差動共焦系統；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後表面，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，並由反射鏡反射後，反射光線穿過被測透鏡和測量鏡，經過分光系統反射後進入差動共焦系統；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，並由反射鏡反射後，反射光線穿過測量鏡，經過分光系統反射後進入差動共焦系統；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、後表面的曲率半徑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後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後表面與光軸交點的距離，也即被測透鏡的厚度d；r1為被測透鏡前表面的曲率半徑；n0為空氣折射率，n為被測透鏡的折射率； l′1＝L1(ρ，n) (4) 第2步得到被測透鏡後表面與光軸交點到反射鏡的距離表達式，具體為 將公式1和公式5帶入到公式6，得到公式7； l1＝|z3-z1| (5) 其中，l2為被測透鏡後表面入射光線與光軸的交點到被測透鏡後表面與光軸交點的距離；θ2′為被測透鏡後表面出射光線與光軸的夾角；l′2為被測透鏡後表面出射線與光軸的交點到被測透鏡後表面與光軸交點的距離，即被測透鏡後表面與光軸交點到反射鏡的距離；r2為被測透鏡後表面的曲率半徑；n2為空氣折射率，與n0取值相同； l′2＝L2(ρ，n) (7) 第3步得到被測透鏡的折射率n，具體為 將第1步得到的公式4和第2步得到的公式7代入公式8得到公式9 L1(ρ，n)+L2(ρ，n)＝|z4-z1| (8) n＝T(ρ) (9) 通過公式10得到被測透鏡的折射率n 其中，K(ρ)為光瞳面內的光強徑向歸一化分布函數。
第4步得到被測透鏡的厚度d，具體為 將第3步得到的被測透鏡的折射率n代入公式11得到被測透鏡的厚度d，如公式12所示 d＝l′1＝L1(ρ，n) (11) 通過以上步驟，即可獲得被測透鏡的折射率n和厚度d。
本發明的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法，還可以在平行的測量光束中增加環形光瞳對測量光束進行調製，形成環形光束，降低測量光束匯聚點前的被測透鏡鏡面的造成的波相差對測量光束的影響，減少測量誤差。
本發明的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法，其特徵在於還可以在平行的測量光束中增加焦深壓縮光學系統，使其與差動共焦系統配合工作，提高定焦靈敏度。
本發明的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，包括光源，被測透鏡，其特徵在於還包括分光系統、測量鏡、反射鏡和差動共焦系統；其中分光系統、測量鏡和反射鏡依次放在光源的出射光線方向，差動共焦系統放置在正對分光系統的反射光線的位置；被測透鏡放置在測量鏡和反射鏡之間； 所述差動共焦系統包括匯聚鏡、分光鏡和依次放置在分光鏡透射和反射方向的第一針孔、第二針孔以及第一針孔後的第一探測器、第二針孔後的第二探測器。
所述的分光系統可以用偏振分光系統替換，並且在分光系統與測量鏡之間放置一個λ/4玻片，以提高系統的光能利用率。
本發明的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，其特徵在於還包括數據處理系統、信號濾波放大裝置A、信號濾波放大裝置B、位移信息處理裝置、位移測量裝置、測量鏡驅動裝置，用以實現數據測量及處理的自動化過程；其中，位移測量裝置用於測量測量鏡的位移量；測量鏡驅動裝置用於驅動測量鏡位移；信號濾波放大裝置A用於對差動共焦系統的第一探測器的輸出信號進行濾波放大；信號濾波放大裝置B用於對差動共焦系統的第二探測器的輸出信號進行濾波放大；位移信息處理裝置用於對位移測量裝置的輸出數據進行處理；數據處理系統用於接收信號濾波放大裝置、信號濾波放大裝置以及位移信息處理裝置的輸出信息並處理，得到被測透鏡的折射率n和厚度d。
其連接關係為信號濾波放大裝置A和信號濾波放大裝置B與差動共焦系統連接，信號濾波放大裝置A的輸入端與差動共焦系統的第一探測器的輸出端連接，信號濾波放大裝置B的輸入端與差動共焦系統的第一探測器的輸出端連接；信號濾波放大裝置A和信號濾波放大裝置B的輸出端與數據處理系統連接；測量鏡驅動裝置與測量鏡連接；位移測量裝置與位移信息處理裝置連接；數據處理系統與信號濾波放大裝置A、信號濾波放大裝置B以及位移信息處理裝置的輸出端連接。
本發明的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，還包括所述數據處理系統、信號濾波放大裝置A、信號濾波放大裝置B、位移信息處理裝置、位移測量裝置、測量鏡驅動裝置中的任意組合。
本發明的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，還可以在平行的測量光束中增加焦深壓縮光學系統，使其與差動共焦系統配合工作，壓縮測量透鏡的焦深，提高定焦靈敏度。
有益效果 本發明對比已有技術具有以下顯著優點 1.提出利用差動共焦響應曲線過零點時目標位置對應顯微物鏡焦點的特性實現精確定焦，將差動共焦顯微原理擴展到透鏡折射率與厚度測量領域，可顯著提高透鏡的折射率和厚度的測量精度； 2.利用差動共焦定焦原理與輔助反射鏡結合，可以一次測量得到計算被測透鏡折射率和厚度所需的全部信息，操作簡便，易實現工程化； 3.差動共焦定焦原理以光強響應曲線作為定焦判據，在測量過程中，可配合光強調製與濾波等技術，排除空氣擾動等環境幹擾對測量精度的影響，相比以幹涉條紋為依據的測量方法具有更高的抗環境幹擾性； 4.採用環形光瞳和光瞳濾波技術調製測量光束，在測量中減小被測透鏡鏡面造成的波相差的影響，增強定焦靈敏度，提高測量精度。



圖1為本發明關於基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置的一種具體實施方式
的結構示意圖； 其中1光源、2環形光瞳、3偏振分光系統、4λ/4玻片、5測量鏡、6被測透鏡、7反射鏡、8匯聚鏡、9分光鏡、10第一針孔、11第一探測器、12第二針孔、13第二探測器、14差動共焦系統、15被測透鏡前表面、16被測透鏡後表面、17反射鏡反射面、22測量鏡驅動裝置、27半導體雷射器、28、光源針孔、29準直透鏡、30位移測量裝置、31位移信息處理裝置、32信號濾波放大裝置A、33信號濾波放大裝置B、34數據處理系統。
圖2為本發明關於基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置的一種具體實施方式
的實測結果圖； 其中23對應測量鏡的位置Z1的過零點、24對應測量鏡的位置Z2的過零點、25對應測量鏡的位置Z3的過零點、26對應測量鏡的位置)的過零點。

具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。
本實施例對GCL-0101 K9平凸透鏡的折射率與厚度進行測量。
一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，如圖1所示，包括光源1、被測透鏡6、環形光瞳2、偏振分光系統3、λ/4玻片4、測量鏡5、反射鏡7、差動共焦系統14、數據處理系統34、信號濾波放大裝置A32、信號濾波放大裝置B33、位移信息處理裝置31、位移測量裝置30、測量鏡驅動裝置22；光源1為波長為632.8nm的He-Ni雷射器27；由半導體雷射器27、光源針孔28、準直透鏡29；差動共焦系統14包括匯聚鏡8、分光鏡9和依次放置在分光鏡9透射和反射方向的第一針孔10、第二針孔12以及第一針孔10後的第一探測器11、第二針孔12後的第二探測器13。
環形光瞳2、偏分分光系統3、λ/4玻片4、測量鏡5和反射鏡7依次放在光源1的出射光線方向，差動共焦系統14放置在分光系統的反射方向上；被測透鏡6放置在測量鏡5和反射鏡7之間； 信號濾波放大裝置A32和信號濾波放大裝置B33與差動共焦系統14連接，信號濾波放大裝置A32的輸入端與差動共焦系統14的第一探測器11的輸出端連接，信號濾波放大裝置B33的輸入端與差動共焦系統14的第一探測器11的輸出端連接；信號濾波放大裝置A32和信號濾波放大裝置B33的輸出端與數據處理系統34連接；測量鏡驅動裝置22與測量鏡5連接；位移測量裝置30與位移信息處理裝置31連接；數據處理系統34與信號濾波放大裝置A32、信號濾波放大裝置B33以及位移信息處理裝置31的輸出端連接。
本發明的一種基於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同軸並調整測量鏡5、被測透鏡6與反射鏡7垂直於平行光束； 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的反射後，反射光線穿過測量鏡5，經過分光系統的反射後進入差動共焦系統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Z1； 步驟三、使測量光束聚焦到被測透鏡後表面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，到達被測透鏡後表面16，經過被測透鏡後表面16的反射後，反射光線穿過測量鏡5，經過分光系統的反射後進入差動共焦系統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後表面16，記錄此時測量鏡5的位置Z2； 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，並由反射鏡7反射後，反射光線穿過被測透鏡6和測量鏡5，經過分光系統反射後進入差動共焦系統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Z3； 步驟五、移除被測透鏡15，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，並由反射鏡7反射後，反射光線穿過測量鏡5，經過分光系統反射後進入差動共焦系統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Z4； 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Z1、Z2、Z3和Z4，結合被測透鏡前表面15、後表面16的曲率半徑r、測量鏡5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6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6的折射率n和厚度d的具體步驟為 通過測量鏡驅動裝置22、位移信息處理裝置31、信號濾波放大裝置A32和信號濾波放大裝置B33與數據處理系統34配合工作，實現測量的自動化。
GCL-0101 K9平凸透鏡的已知參數為標稱折射率n＝1.51466，標稱厚度d＝4.000mm，曲率半徑為r1＝∞，r2＝90.7908mm。使用的測量鏡最大通光口徑D＝9.6mm，焦距f1′＝35mm，環形光瞳的環形光歸一化半徑ε＝0.7，孔徑為R＝4.5mm。用X80雷射幹涉儀用於測量物鏡軸向位移。
如圖2所示，測量結果為過零點23對應的測量鏡6的位置Z1＝-9.34530mm，過零點24對應的測量鏡6的位置Z2＝-6.71712mm，過零點25對應的測量鏡6的位置Z3＝-0.02176mm，過零點26對應的測量鏡6的位置Z4＝1.09363mm。計算得到透鏡的折射率n＝1.51499，其與透鏡標稱折射率差值為δn＝1.51499-1.51466＝0.00033，其相對誤差Δδn＝(0.00033/1.51466)×100％≈0.02％；計算得到透鏡的厚度d＝3.996mm，其與透鏡標稱折射率差值為δd＝4.000-3.996＝0.004，其相對誤差Δδn＝(0.004/4.000)×100％＝0.1％。
此實施例實現了透鏡折射率和幾何厚度的高精度測量，實現了差動共焦折射率及厚度測量方法與裝置，與浸液法和幹涉法相比，操作簡便、抗環境幹擾能力強，更容易實現工程化。
以上結合附圖對本發明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的範圍，本發明的保護範圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法，其特徵在於其具體步驟如下
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)同軸並調整測量鏡(5)、被測透鏡(6)與反射鏡(7)垂直於平行光束；
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)的反射後，反射光線穿過測量鏡(5)，經過分光系統的反射後進入差動共焦系統(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Z1；
步驟三、使測量光束聚焦到被測透鏡後表面(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，到達被測透鏡後表面(16)，經過被測透鏡後表面(16)的反射後，反射光線穿過測量鏡(5)，經過分光系統的反射後進入差動共焦系統(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後表面(16)，記錄此時測量鏡(5)的位置Z2；
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)，並由反射鏡(7)反射後，反射光線穿過被測透鏡(6)和測量鏡(5)，經過分光系統反射後進入差動共焦系統(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Z3；
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)，並由反射鏡(7)反射後，反射光線穿過測量鏡(5)，經過分光系統反射後進入差動共焦系統(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Z4；
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Z1、Z2、Z3和Z4，結合被測透鏡前表面(15)、後表面(16)的曲率半徑r、測量鏡(5)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(6)的折射率n和厚度d。
2.如權利要求1所述的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法，其特徵在於所述使用光線追跡的方法精確獲得被測透鏡(6)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(15)與光軸交點到被測透鏡後表面(16)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(15)入射光線與光軸的夾角；ρ為被測透鏡前表面(15)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(15)入射光線與光軸的交點到被測透鏡前表面(15)與光軸交點的距離
其中，θ1′為被測透鏡前表面(15)出射光線與光軸的夾角；l′1為被測透鏡前表面(15)出射光線與光軸的交點到被測透鏡前表面(15)與光軸交點的距離，即被測透鏡前表面(15)與光軸交點到被測透鏡後表面(16)與光軸交點的距離，也即被測透鏡(6)的厚度d；r1為被測透鏡前表面(15)的曲率半徑；n0為空氣折射率，n為被測透鏡(6)的折射率；
l′1＝L1(ρ，n) (4)
第2步得到被測透鏡後表面(16)與光軸交點到反射鏡(7)的距離表達式，具體為
將公式1和公式5帶入到公式6，得到公式7；
l1＝|z3-z1| (5)
其中，l2為被測透鏡後表面(16)入射光線與光軸的交點到被測透鏡後表面(16)與光軸交點的距離；θ2′為被測透鏡後表面(16)出射光線與光軸的夾角；l′2為被測透鏡後表面(16)出射線與光軸的交點到被測透鏡後表面(16)與光軸交點的距離，即被測透鏡後表面(16)與光軸交點到反射鏡(7)的距離；r2為被測透鏡後表面(16)的曲率半徑；n2為空氣折射率；
l′2＝L2(ρ，n) (7)
第3步得到被測透鏡(6)的折射率n，具體為
將第1步得到的公式4和第2步得到的公式7代入公式8得到公式9
L1(ρ，n)+L2(ρ，n)＝|z4-z1| (8)
n＝T(ρ) (9)
通過公式10得到被測透鏡(6)的折射率n
其中，K(ρ)為光瞳面內的光強徑向歸一化分布函數；
第4步得到被測透鏡(6)的厚度d，具體為
將第3步得到的被測透鏡(6)的折射率n代入公式11得到被測透鏡(6)的厚度d，如公式12所示
d＝l′1＝L1(ρ，n) (11)
通過以上步驟，即可獲得被測透鏡(6)的折射率n和厚度d。
3.如權利要求1或2所述的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法，其特徵在於還可以在平行的測量光束中增加環形光瞳(2)對測量光束進行調製，形成環形光束，降低測量光束匯聚點前的被測透鏡(6)鏡面的造成的波相差對測量光束的影響，減少測量誤差。
4.如權利要求1或2所述的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量方法，其特徵在於還可以在平行的測量光束中增加焦深壓縮光學系統，使其與差動共焦系統(14)配合工作，提高定焦靈敏度。
5.一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，包括光源(1)，被測透鏡(6)，其特徵在於還包括分光系統、測量鏡(5)、反射鏡(7)和差動共焦系統(14)；其中分光系統、測量鏡(5)和反射鏡(7)依次放在光源(1)的出射光線方向，差動共焦系統(14)放置在正對分光系統的反射光線的位置；被測透鏡(6)放置在測量鏡(5)和反射鏡(7)之間。
6.如權利要求5所述的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，其特徵在於所述差動共焦系統(14)包括匯聚鏡(8)、分光鏡(9)和依次放置在分光鏡(9)透射和反射方向的第一針孔(10)、第二針孔(12)以及第一針孔(10)後的第一探測器(11)、第二針孔(12)後的第二探測器(13)。
7.如權利要求5或6所述的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，其特徵在於所述的分光系統可以用偏振分光系統(3)替換，並且在分光系統與測量鏡(5)之間放置一個λ/4玻片(4)，以提高系統的光能利用率。
8.如權利要求5或6所述的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，其特徵在於還可以包括數據處理系統(34)、信號濾波放大裝置A(32)、信號濾波放大裝置B(33)、位移信息處理裝置(31)、位移測量裝置(30)、測量鏡驅動裝置(22)，用以實現數據測量及處理的自動化過程；其中，位移測量裝置(30)用於測量測量鏡(5)的位移量；測量鏡驅動裝置(22)用於驅動測量鏡(5)的位移；信號濾波放大裝置A(32)用於對差動共焦系統(14)的第一探測器(11)的輸出信號進行濾波放大；信號濾波放大裝置B(33)用於對差動共焦系統(14)的第二探測器(13)的輸出信號進行濾波放大；位移信息處理裝置(31)用於對位移測量裝置(30)的輸出數據進行處理；數據處理系統(34)用於接收信號濾波放大裝置(32)、信號濾波放大裝置(33)以及位移信息處理裝置(31)的輸出信息並處理，得到被測透鏡(6)的折射率n和厚度d；
其連接關係為信號濾波放大裝置A(32)和信號濾波放大裝置B(33)與差動共焦系統(14)連接，信號濾波放大裝置A(32)的輸入端與差動共焦系統(14)的第一探測器(11)的輸出端連接，信號濾波放大裝置B(33)的輸入端與差動共焦系統(14)的第一探測器(11)的輸出端連接；信號濾波放大裝置A(32)和信號濾波放大裝置B(33)的輸出端與數據處理系統(34)連接；測量鏡驅動裝置(22)與測量鏡(5)連接；位移測量裝置(30)與位移信息處理裝置(31)連接；數據處理系統(34)與信號濾波放大裝置A(32)、信號濾波放大裝置B(33)以及位移信息處理裝置(31)的輸出端連接。
9.如權利要求5或6所述的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，其特徵在於還可以包括所述數據處理系統(34)、信號濾波放大裝置A(32)、信號濾波放大裝置B(33)、位移信息處理裝置(31)、位移測量裝置(30)、測量鏡驅動裝置(22)中的任意組合。
10.如權利要求5或6所述的一種基於差動共焦技術的透鏡折射率與厚度的測量裝置，其特徵在於還可以在平行的測量光束中增加焦深壓縮光學系統，使其與差動共焦系統(14)配合工作，壓縮測量透鏡的焦深，提高定焦靈敏度。
全文摘要
本發明涉及一種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，屬於光學精密測量技術領域，用於球面透鏡折射率和厚度的高精度測量。本發明基於光線追跡原理，利用雷射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、後表面與光軸交點以及有、無被測透鏡時測量鏡的位置，然後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。本發明具有操作簡單、測量精度高、抗環境幹擾能力強等顯著優點，可以廣泛應用於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。
文檔編號G01B11/06GK101769821SQ20101010574
公開日2010年7月7日 申請日期2010年2月4日 優先權日2010年2月4日
發明者趙維謙, 王允, 邱麗榮, 沙定國, 蘇大圖 申請人:北京理工大學