專利名稱：基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法及裝置，屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，用于球面透鏡折射率和厚度的高精度測(cè)量。

背景技術(shù)：
球面透鏡是光學(xué)系統(tǒng)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(shù)，其直接決定透鏡的焦距、主平面位置、理論相差等性能參數(shù)，因而球面透鏡參數(shù)曲率半徑、透鏡厚度和折射率的測(cè)量一直是光學(xué)測(cè)量中最基本的測(cè)量問題。目前，關(guān)于透鏡曲率半徑的測(cè)量方法很多，但對(duì)于透鏡折射率和厚度的非接觸高精度測(cè)量方法卻很少。目前測(cè)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(cè)量精度很高，但其缺點(diǎn)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(cè)量。上述方法適用于在制作透鏡以前，預(yù)先對(duì)該批次玻璃材料的折射率進(jìn)行測(cè)量時(shí)使用，但由于玻璃材質(zhì)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(duì)精密光學(xué)元件來說這種差異是不可忽略的，因此，對(duì)透鏡折射率和厚度進(jìn)行非接觸的高精度測(cè)量是十分必要的。
針對(duì)透鏡折射率和厚度的測(cè)量，國內(nèi)學(xué)者提出了無損的測(cè)量方法，發(fā)表的文獻(xiàn)主要包括《武漢測(cè)繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)》的《透鏡折射率的高精度非接觸測(cè)量方法》，《哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)》的《用環(huán)形橫向剪切干涉儀測(cè)量透鏡的折射率》。此類技術(shù)主要采用了浸液法，即調(diào)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(cè)透鏡匹配，利用阿貝法等方法測(cè)量混合液的折射率得到被測(cè)透鏡的折射率。該方法的測(cè)量精度比傳統(tǒng)透鏡成像測(cè)量方法有所提高，但其缺點(diǎn)是折射率液的調(diào)配過程繁瑣，厚度需要另行測(cè)量，需要輔助測(cè)量設(shè)備并且難以實(shí)現(xiàn)工程化。
國外的透鏡折射率和厚度測(cè)量方面，Eduardo A.Barbosa等學(xué)者在文獻(xiàn)《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(cè)量透鏡的折射率和厚度。該方法通過多步移相，采集到被測(cè)透鏡的兩個(gè)面的反射光的干涉圖樣，計(jì)算出透鏡折射率和厚度。該方法測(cè)量過程簡(jiǎn)便，可以獨(dú)立測(cè)量，但其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理過程繁瑣，并且利用干涉成像，易受環(huán)境干擾，測(cè)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(jié)合的方法測(cè)量透鏡折射率的方法。該方法對(duì)透鏡折射率的微小波動(dòng)的測(cè)量達(dá)到了很高的精度，但其缺點(diǎn)是需要使用復(fù)雜的溫控系統(tǒng)，計(jì)算繁瑣，而且測(cè)量樣品的絕對(duì)折射率需要使用其他方法測(cè)量得到；并且該方法不能用來測(cè)量透鏡樣品的厚度。
近年來，國內(nèi)外顯微成像領(lǐng)域的差動(dòng)共焦技術(shù)快速發(fā)展，該技術(shù)以軸向的光強(qiáng)響應(yīng)曲線作為評(píng)價(jià)尺度，靈敏度高于以垂軸方向響應(yīng)為判斷依據(jù)的評(píng)價(jià)方法，并且由于采用光強(qiáng)作為數(shù)據(jù)信息，相比干涉法和浸液法具有更高的抗環(huán)境干擾能力。例如文獻(xiàn)《具有高空間分辨率的差動(dòng)共焦掃描檢測(cè)方法》(國家專利200410006359.6)提出了超分辨差動(dòng)共焦掃描檢測(cè)方法，使系統(tǒng)軸向分辨力達(dá)到納米級(jí)，并顯著提高了抗環(huán)境擾動(dòng)能力，但差動(dòng)共焦技術(shù)主要適用于微觀顯微測(cè)量領(lǐng)域，而將該項(xiàng)技術(shù)直接應(yīng)用于定焦，繼而實(shí)現(xiàn)球面折射率和厚度測(cè)量，迄今為止尚未見到。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決已有技術(shù)存在的不足，提供一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法及裝置。本發(fā)明基于光線追跡原理，利用激光差動(dòng)共焦響應(yīng)曲線的絕對(duì)零點(diǎn)來精確確定被測(cè)透鏡前表面與光軸交點(diǎn)、后表面與光軸交點(diǎn)以及有、無透鏡時(shí)測(cè)量鏡的位置，然后利用測(cè)量鏡的位置和預(yù)先測(cè)得的測(cè)量鏡的曲率半徑、焦距及光瞳大小，來對(duì)被測(cè)透鏡兩球面及參考反射面來進(jìn)行逐面光線追跡計(jì)算，繼而實(shí)現(xiàn)被測(cè)透鏡的折射率和厚度的高精度無損測(cè)量。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法，其具體步驟如下 步驟一、打開光源，生成平行的測(cè)量光束，測(cè)量光束穿過分光系統(tǒng)；調(diào)整被測(cè)透鏡與測(cè)量鏡同軸并調(diào)整測(cè)量鏡、被測(cè)透鏡與反射鏡垂直于平行光束； 步驟二、使測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡前表面；具體過程為 在步驟一操作的基礎(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡匯聚，到達(dá)被測(cè)透鏡前表面，經(jīng)過被測(cè)透鏡前表面的反射后，反射光線穿過測(cè)量鏡，經(jīng)過分光系統(tǒng)的反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡前表面，記錄此時(shí)測(cè)量鏡的位置Z1； 步驟三、使測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡后表面；具體過程為 在步驟一操作的基礎(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡匯聚，到達(dá)被測(cè)透鏡后表面，經(jīng)過被測(cè)透鏡后表面的反射后，反射光線穿過測(cè)量鏡，經(jīng)過分光系統(tǒng)的反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡后表面，記錄此時(shí)測(cè)量鏡的位置Z2； 步驟四、使測(cè)量光束穿過被測(cè)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(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡匯聚，使匯聚光線穿過被測(cè)透鏡，達(dá)到反射鏡，并由反射鏡反射后，反射光線穿過被測(cè)透鏡和測(cè)量鏡，經(jīng)過分光系統(tǒng)反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到反射鏡反射面，記錄此時(shí)測(cè)量鏡的位置Z3； 步驟五、移除被測(cè)透鏡，使測(cè)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(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡匯聚，使匯聚光線直接到達(dá)反射鏡，并由反射鏡反射后，反射光線穿過測(cè)量鏡，經(jīng)過分光系統(tǒng)反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到反射鏡反射面，記錄此時(shí)測(cè)量鏡的位置Z4； 步驟六、得到被測(cè)透鏡的折射率n和厚度d； 由步驟二、三、四、五得到的測(cè)量鏡的位置Z1、Z2、Z3和Z4，結(jié)合被測(cè)透鏡前表面、后表面的曲率半徑r、測(cè)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(cè)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(cè)透鏡的折射率n和厚度d的具體步驟為 第1步得到被測(cè)透鏡前表面與光軸交點(diǎn)到被測(cè)透鏡后表面與光軸交點(diǎn)的距離表達(dá)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(cè)透鏡前表面入射光線與光軸的夾角；ρ為被測(cè)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(cè)透鏡前表面入射光線與光軸的交點(diǎn)到被測(cè)透鏡前表面與光軸交點(diǎn)的距離 其中，θ1′為被測(cè)透鏡前表面出射光線與光軸的夾角；l′1為被測(cè)透鏡前表面出射光線與光軸的交點(diǎn)到被測(cè)透鏡前表面與光軸交點(diǎn)的距離，即被測(cè)透鏡前表面與光軸交點(diǎn)到被測(cè)透鏡后表面與光軸交點(diǎn)的距離，也即被測(cè)透鏡的厚度d；r1為被測(cè)透鏡前表面的曲率半徑；n0為空氣折射率，n為被測(cè)透鏡的折射率； l′1＝L1(ρ，n) (4) 第2步得到被測(cè)透鏡后表面與光軸交點(diǎn)到反射鏡的距離表達(dá)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(cè)透鏡后表面入射光線與光軸的交點(diǎn)到被測(cè)透鏡后表面與光軸交點(diǎn)的距離；θ2′為被測(cè)透鏡后表面出射光線與光軸的夾角；l′2為被測(cè)透鏡后表面出射線與光軸的交點(diǎn)到被測(cè)透鏡后表面與光軸交點(diǎn)的距離，即被測(cè)透鏡后表面與光軸交點(diǎn)到反射鏡的距離；r2為被測(cè)透鏡后表面的曲率半徑；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(cè)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(cè)透鏡的折射率n 其中，K(ρ)為光瞳面內(nèi)的光強(qiáng)徑向歸一化分布函數(shù)。
第4步得到被測(cè)透鏡的厚度d，具體為 將第3步得到的被測(cè)透鏡的折射率n代入公式11得到被測(cè)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(cè)透鏡的折射率n和厚度d。
本發(fā)明的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法，還可以在平行的測(cè)量光束中增加環(huán)形光瞳對(duì)測(cè)量光束進(jìn)行調(diào)制，形成環(huán)形光束，降低測(cè)量光束匯聚點(diǎn)前的被測(cè)透鏡鏡面的造成的波相差對(duì)測(cè)量光束的影響，減少測(cè)量誤差。
本發(fā)明的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法，其特征在于還可以在平行的測(cè)量光束中增加焦深壓縮光學(xué)系統(tǒng)，使其與差動(dòng)共焦系統(tǒng)配合工作，提高定焦靈敏度。
本發(fā)明的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，包括光源，被測(cè)透鏡，其特征在于還包括分光系統(tǒng)、測(cè)量鏡、反射鏡和差動(dòng)共焦系統(tǒng)；其中分光系統(tǒng)、測(cè)量鏡和反射鏡依次放在光源的出射光線方向，差動(dòng)共焦系統(tǒng)放置在正對(duì)分光系統(tǒng)的反射光線的位置；被測(cè)透鏡放置在測(cè)量鏡和反射鏡之間； 所述差動(dòng)共焦系統(tǒng)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后的第一探測(cè)器、第二針孔后的第二探測(cè)器。
所述的分光系統(tǒng)可以用偏振分光系統(tǒng)替換，并且在分光系統(tǒng)與測(cè)量鏡之間放置一個(gè)λ/4玻片，以提高系統(tǒng)的光能利用率。
本發(fā)明的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，其特征在于還包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信號(hào)濾波放大裝置A、信號(hào)濾波放大裝置B、位移信息處理裝置、位移測(cè)量裝置、測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量及處理的自動(dòng)化過程；其中，位移測(cè)量裝置用于測(cè)量測(cè)量鏡的位移量；測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置用于驅(qū)動(dòng)測(cè)量鏡位移；信號(hào)濾波放大裝置A用于對(duì)差動(dòng)共焦系統(tǒng)的第一探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大；信號(hào)濾波放大裝置B用于對(duì)差動(dòng)共焦系統(tǒng)的第二探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大；位移信息處理裝置用于對(duì)位移測(cè)量裝置的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于接收信號(hào)濾波放大裝置、信號(hào)濾波放大裝置以及位移信息處理裝置的輸出信息并處理，得到被測(cè)透鏡的折射率n和厚度d。
其連接關(guān)系為信號(hào)濾波放大裝置A和信號(hào)濾波放大裝置B與差動(dòng)共焦系統(tǒng)連接，信號(hào)濾波放大裝置A的輸入端與差動(dòng)共焦系統(tǒng)的第一探測(cè)器的輸出端連接，信號(hào)濾波放大裝置B的輸入端與差動(dòng)共焦系統(tǒng)的第一探測(cè)器的輸出端連接；信號(hào)濾波放大裝置A和信號(hào)濾波放大裝置B的輸出端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接；測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置與測(cè)量鏡連接；位移測(cè)量裝置與位移信息處理裝置連接；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與信號(hào)濾波放大裝置A、信號(hào)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(fā)明的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，還包括所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信號(hào)濾波放大裝置A、信號(hào)濾波放大裝置B、位移信息處理裝置、位移測(cè)量裝置、測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置中的任意組合。
本發(fā)明的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，還可以在平行的測(cè)量光束中增加焦深壓縮光學(xué)系統(tǒng)，使其與差動(dòng)共焦系統(tǒng)配合工作，壓縮測(cè)量透鏡的焦深，提高定焦靈敏度。
有益效果 本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn) 1.提出利用差動(dòng)共焦響應(yīng)曲線過零點(diǎn)時(shí)目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)顯微物鏡焦點(diǎn)的特性實(shí)現(xiàn)精確定焦，將差動(dòng)共焦顯微原理擴(kuò)展到透鏡折射率與厚度測(cè)量領(lǐng)域，可顯著提高透鏡的折射率和厚度的測(cè)量精度； 2.利用差動(dòng)共焦定焦原理與輔助反射鏡結(jié)合，可以一次測(cè)量得到計(jì)算被測(cè)透鏡折射率和厚度所需的全部信息，操作簡(jiǎn)便，易實(shí)現(xiàn)工程化； 3.差動(dòng)共焦定焦原理以光強(qiáng)響應(yīng)曲線作為定焦判據(jù)，在測(cè)量過程中，可配合光強(qiáng)調(diào)制與濾波等技術(shù)，排除空氣擾動(dòng)等環(huán)境干擾對(duì)測(cè)量精度的影響，相比以干涉條紋為依據(jù)的測(cè)量方法具有更高的抗環(huán)境干擾性； 4.采用環(huán)形光瞳和光瞳濾波技術(shù)調(diào)制測(cè)量光束，在測(cè)量中減小被測(cè)透鏡鏡面造成的波相差的影響，增強(qiáng)定焦靈敏度，提高測(cè)量精度。



圖1為本發(fā)明關(guān)于基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖； 其中1光源、2環(huán)形光瞳、3偏振分光系統(tǒng)、4λ/4玻片、5測(cè)量鏡、6被測(cè)透鏡、7反射鏡、8匯聚鏡、9分光鏡、10第一針孔、11第一探測(cè)器、12第二針孔、13第二探測(cè)器、14差動(dòng)共焦系統(tǒng)、15被測(cè)透鏡前表面、16被測(cè)透鏡后表面、17反射鏡反射面、22測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置、27半導(dǎo)體激光器、28、光源針孔、29準(zhǔn)直透鏡、30位移測(cè)量裝置、31位移信息處理裝置、32信號(hào)濾波放大裝置A、33信號(hào)濾波放大裝置B、34數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
圖2為本發(fā)明關(guān)于基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置的一種具體實(shí)施方式
的實(shí)測(cè)結(jié)果圖； 其中23對(duì)應(yīng)測(cè)量鏡的位置Z1的過零點(diǎn)、24對(duì)應(yīng)測(cè)量鏡的位置Z2的過零點(diǎn)、25對(duì)應(yīng)測(cè)量鏡的位置Z3的過零點(diǎn)、26對(duì)應(yīng)測(cè)量鏡的位置)的過零點(diǎn)。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
本實(shí)施例對(duì)GCL-0101 K9平凸透鏡的折射率與厚度進(jìn)行測(cè)量。
一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，如圖1所示，包括光源1、被測(cè)透鏡6、環(huán)形光瞳2、偏振分光系統(tǒng)3、λ/4玻片4、測(cè)量鏡5、反射鏡7、差動(dòng)共焦系統(tǒng)14、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)34、信號(hào)濾波放大裝置A32、信號(hào)濾波放大裝置B33、位移信息處理裝置31、位移測(cè)量裝置30、測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置22；光源1為波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ni激光器27；由半導(dǎo)體激光器27、光源針孔28、準(zhǔn)直透鏡29；差動(dòng)共焦系統(tǒng)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后的第一探測(cè)器11、第二針孔12后的第二探測(cè)器13。
環(huán)形光瞳2、偏分分光系統(tǒng)3、λ/4玻片4、測(cè)量鏡5和反射鏡7依次放在光源1的出射光線方向，差動(dòng)共焦系統(tǒng)14放置在分光系統(tǒng)的反射方向上；被測(cè)透鏡6放置在測(cè)量鏡5和反射鏡7之間； 信號(hào)濾波放大裝置A32和信號(hào)濾波放大裝置B33與差動(dòng)共焦系統(tǒng)14連接，信號(hào)濾波放大裝置A32的輸入端與差動(dòng)共焦系統(tǒng)14的第一探測(cè)器11的輸出端連接，信號(hào)濾波放大裝置B33的輸入端與差動(dòng)共焦系統(tǒng)14的第一探測(cè)器11的輸出端連接；信號(hào)濾波放大裝置A32和信號(hào)濾波放大裝置B33的輸出端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)34連接；測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置22與測(cè)量鏡5連接；位移測(cè)量裝置30與位移信息處理裝置31連接；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)34與信號(hào)濾波放大裝置A32、信號(hào)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(fā)明的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法，其具體步驟如下 步驟一、打開光源1，生成平行的測(cè)量光束，測(cè)量光束穿過分光系統(tǒng)；調(diào)整被測(cè)透鏡6與測(cè)量鏡5同軸并調(diào)整測(cè)量鏡5、被測(cè)透鏡6與反射鏡7垂直于平行光束； 步驟二、使測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡前表面15；具體過程為 在步驟一操作的基礎(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡5匯聚，到達(dá)被測(cè)透鏡前表面15，經(jīng)過被測(cè)透鏡前表面15的反射后，反射光線穿過測(cè)量鏡5，經(jīng)過分光系統(tǒng)的反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)14；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡5，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)14探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡前表面15，記錄此時(shí)測(cè)量鏡5的位置Z1； 步驟三、使測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡后表面16；具體過程為 在步驟一操作的基礎(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡5匯聚，到達(dá)被測(cè)透鏡后表面16，經(jīng)過被測(cè)透鏡后表面16的反射后，反射光線穿過測(cè)量鏡5，經(jīng)過分光系統(tǒng)的反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)14；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡5，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)14探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡后表面16，記錄此時(shí)測(cè)量鏡5的位置Z2； 步驟四、使測(cè)量光束穿過被測(cè)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(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡5匯聚，使匯聚光線穿過被測(cè)透鏡6，達(dá)到反射鏡7，并由反射鏡7反射后，反射光線穿過被測(cè)透鏡6和測(cè)量鏡5，經(jīng)過分光系統(tǒng)反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)14；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡5，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)14探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到反射鏡反射面17，記錄此時(shí)測(cè)量鏡5的位置Z3； 步驟五、移除被測(cè)透鏡15，使測(cè)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(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡5匯聚，使匯聚光線直接到達(dá)反射鏡7，并由反射鏡7反射后，反射光線穿過測(cè)量鏡5，經(jīng)過分光系統(tǒng)反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)14；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡5，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)14探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到反射鏡反射面17，記錄此時(shí)測(cè)量鏡5的位置Z4； 步驟六、得到被測(cè)透鏡6的折射率n和厚度d； 由步驟二、三、四、五得到的測(cè)量鏡5的位置Z1、Z2、Z3和Z4，結(jié)合被測(cè)透鏡前表面15、后表面16的曲率半徑r、測(cè)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(cè)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(cè)透鏡6的折射率n和厚度d的具體步驟為 通過測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置22、位移信息處理裝置31、信號(hào)濾波放大裝置A32和信號(hào)濾波放大裝置B33與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)34配合工作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化。
GCL-0101 K9平凸透鏡的已知參數(shù)為標(biāo)稱折射率n＝1.51466，標(biāo)稱厚度d＝4.000mm，曲率半徑為r1＝∞，r2＝90.7908mm。使用的測(cè)量鏡最大通光口徑D＝9.6mm，焦距f1′＝35mm，環(huán)形光瞳的環(huán)形光歸一化半徑ε＝0.7，孔徑為R＝4.5mm。用X80激光干涉儀用于測(cè)量物鏡軸向位移。
如圖2所示，測(cè)量結(jié)果為過零點(diǎn)23對(duì)應(yīng)的測(cè)量鏡6的位置Z1＝-9.34530mm，過零點(diǎn)24對(duì)應(yīng)的測(cè)量鏡6的位置Z2＝-6.71712mm，過零點(diǎn)25對(duì)應(yīng)的測(cè)量鏡6的位置Z3＝-0.02176mm，過零點(diǎn)26對(duì)應(yīng)的測(cè)量鏡6的位置Z4＝1.09363mm。計(jì)算得到透鏡的折射率n＝1.51499，其與透鏡標(biāo)稱折射率差值為δn＝1.51499-1.51466＝0.00033，其相對(duì)誤差Δδn＝(0.00033/1.51466)×100％≈0.02％；計(jì)算得到透鏡的厚度d＝3.996mm，其與透鏡標(biāo)稱折射率差值為δd＝4.000-3.996＝0.004，其相對(duì)誤差Δδn＝(0.004/4.000)×100％＝0.1％。
此實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了透鏡折射率和幾何厚度的高精度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)共焦折射率及厚度測(cè)量方法與裝置，與浸液法和干涉法相比，操作簡(jiǎn)便、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，更容易實(shí)現(xiàn)工程化。
以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)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(cè)量光束，測(cè)量光束穿過分光系統(tǒng)；調(diào)整被測(cè)透鏡(6)與測(cè)量鏡(5)同軸并調(diào)整測(cè)量鏡(5)、被測(cè)透鏡(6)與反射鏡(7)垂直于平行光束；
步驟二、使測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡前表面(15)；具體過程為
在步驟一操作的基礎(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡(5)匯聚，到達(dá)被測(cè)透鏡前表面(15)，經(jīng)過被測(cè)透鏡前表面(15)的反射后，反射光線穿過測(cè)量鏡(5)，經(jīng)過分光系統(tǒng)的反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡(5)，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡前表面(15)，記錄此時(shí)測(cè)量鏡(5)的位置Z1；
步驟三、使測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡后表面(16)；具體過程為
在步驟一操作的基礎(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡(5)匯聚，到達(dá)被測(cè)透鏡后表面(16)，經(jīng)過被測(cè)透鏡后表面(16)的反射后，反射光線穿過測(cè)量鏡(5)，經(jīng)過分光系統(tǒng)的反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡(5)，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到被測(cè)透鏡后表面(16)，記錄此時(shí)測(cè)量鏡(5)的位置Z2；
步驟四、使測(cè)量光束穿過被測(cè)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(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡(5)匯聚，使匯聚光線穿過被測(cè)透鏡(6)，達(dá)到反射鏡(7)，并由反射鏡(7)反射后，反射光線穿過被測(cè)透鏡(6)和測(cè)量鏡(5)，經(jīng)過分光系統(tǒng)反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡(5)，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到反射鏡反射面(17)，記錄此時(shí)測(cè)量鏡(5)的位置Z3；
步驟五、移除被測(cè)透鏡(6)，使測(cè)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(chǔ)上，測(cè)量光束被測(cè)量鏡(5)匯聚，使匯聚光線直接到達(dá)反射鏡(7)，并由反射鏡(7)反射后，反射光線穿過測(cè)量鏡(5)，經(jīng)過分光系統(tǒng)反射后進(jìn)入差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)；在光軸方向上移動(dòng)測(cè)量鏡(5)，使差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)探測(cè)到的差動(dòng)響應(yīng)信號(hào)為零，此時(shí)測(cè)量光束聚焦到反射鏡反射面(17)，記錄此時(shí)測(cè)量鏡(5)的位置Z4；
步驟六、得到被測(cè)透鏡(6)的折射率n和厚度d；
由步驟二、三、四、五得到的測(cè)量鏡(5)的位置Z1、Z2、Z3和Z4，結(jié)合被測(cè)透鏡前表面(15)、后表面(16)的曲率半徑r、測(cè)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(cè)透鏡(6)的折射率n和厚度d。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法，其特征在于所述使用光線追跡的方法精確獲得被測(cè)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(cè)透鏡前表面(15)與光軸交點(diǎn)到被測(cè)透鏡后表面(16)與光軸交點(diǎn)的距離表達(dá)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(cè)透鏡前表面(15)入射光線與光軸的夾角；ρ為被測(cè)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(cè)透鏡前表面(15)入射光線與光軸的交點(diǎn)到被測(cè)透鏡前表面(15)與光軸交點(diǎn)的距離
其中，θ1′為被測(cè)透鏡前表面(15)出射光線與光軸的夾角；l′1為被測(cè)透鏡前表面(15)出射光線與光軸的交點(diǎn)到被測(cè)透鏡前表面(15)與光軸交點(diǎn)的距離，即被測(cè)透鏡前表面(15)與光軸交點(diǎn)到被測(cè)透鏡后表面(16)與光軸交點(diǎn)的距離，也即被測(cè)透鏡(6)的厚度d；r1為被測(cè)透鏡前表面(15)的曲率半徑；n0為空氣折射率，n為被測(cè)透鏡(6)的折射率；
l′1＝L1(ρ，n) (4)
第2步得到被測(cè)透鏡后表面(16)與光軸交點(diǎn)到反射鏡(7)的距離表達(dá)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(cè)透鏡后表面(16)入射光線與光軸的交點(diǎn)到被測(cè)透鏡后表面(16)與光軸交點(diǎn)的距離；θ2′為被測(cè)透鏡后表面(16)出射光線與光軸的夾角；l′2為被測(cè)透鏡后表面(16)出射線與光軸的交點(diǎn)到被測(cè)透鏡后表面(16)與光軸交點(diǎn)的距離，即被測(cè)透鏡后表面(16)與光軸交點(diǎn)到反射鏡(7)的距離；r2為被測(cè)透鏡后表面(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(cè)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(cè)透鏡(6)的折射率n
其中，K(ρ)為光瞳面內(nèi)的光強(qiáng)徑向歸一化分布函數(shù)；
第4步得到被測(cè)透鏡(6)的厚度d，具體為
將第3步得到的被測(cè)透鏡(6)的折射率n代入公式11得到被測(cè)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(cè)透鏡(6)的折射率n和厚度d。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法，其特征在于還可以在平行的測(cè)量光束中增加環(huán)形光瞳(2)對(duì)測(cè)量光束進(jìn)行調(diào)制，形成環(huán)形光束，降低測(cè)量光束匯聚點(diǎn)前的被測(cè)透鏡(6)鏡面的造成的波相差對(duì)測(cè)量光束的影響，減少測(cè)量誤差。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法，其特征在于還可以在平行的測(cè)量光束中增加焦深壓縮光學(xué)系統(tǒng)，使其與差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)配合工作，提高定焦靈敏度。
5.一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，包括光源(1)，被測(cè)透鏡(6)，其特征在于還包括分光系統(tǒng)、測(cè)量鏡(5)、反射鏡(7)和差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)；其中分光系統(tǒng)、測(cè)量鏡(5)和反射鏡(7)依次放在光源(1)的出射光線方向，差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)放置在正對(duì)分光系統(tǒng)的反射光線的位置；被測(cè)透鏡(6)放置在測(cè)量鏡(5)和反射鏡(7)之間。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，其特征在于所述差動(dòng)共焦系統(tǒng)(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)后的第一探測(cè)器(11)、第二針孔(12)后的第二探測(cè)器(13)。
7.如權(quán)利要求5或6所述的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，其特征在于所述的分光系統(tǒng)可以用偏振分光系統(tǒng)(3)替換，并且在分光系統(tǒng)與測(cè)量鏡(5)之間放置一個(gè)λ/4玻片(4)，以提高系統(tǒng)的光能利用率。
8.如權(quán)利要求5或6所述的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，其特征在于還可以包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(34)、信號(hào)濾波放大裝置A(32)、信號(hào)濾波放大裝置B(33)、位移信息處理裝置(31)、位移測(cè)量裝置(30)、測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置(22)，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量及處理的自動(dòng)化過程；其中，位移測(cè)量裝置(30)用于測(cè)量測(cè)量鏡(5)的位移量；測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置(22)用于驅(qū)動(dòng)測(cè)量鏡(5)的位移；信號(hào)濾波放大裝置A(32)用于對(duì)差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)的第一探測(cè)器(11)的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大；信號(hào)濾波放大裝置B(33)用于對(duì)差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)的第二探測(cè)器(13)的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大；位移信息處理裝置(31)用于對(duì)位移測(cè)量裝置(30)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(34)用于接收信號(hào)濾波放大裝置(32)、信號(hào)濾波放大裝置(33)以及位移信息處理裝置(31)的輸出信息并處理，得到被測(cè)透鏡(6)的折射率n和厚度d；
其連接關(guān)系為信號(hào)濾波放大裝置A(32)和信號(hào)濾波放大裝置B(33)與差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)連接，信號(hào)濾波放大裝置A(32)的輸入端與差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)的第一探測(cè)器(11)的輸出端連接，信號(hào)濾波放大裝置B(33)的輸入端與差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)的第一探測(cè)器(11)的輸出端連接；信號(hào)濾波放大裝置A(32)和信號(hào)濾波放大裝置B(33)的輸出端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(34)連接；測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置(22)與測(cè)量鏡(5)連接；位移測(cè)量裝置(30)與位移信息處理裝置(31)連接；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(34)與信號(hào)濾波放大裝置A(32)、信號(hào)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(quán)利要求5或6所述的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，其特征在于還可以包括所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(34)、信號(hào)濾波放大裝置A(32)、信號(hào)濾波放大裝置B(33)、位移信息處理裝置(31)、位移測(cè)量裝置(30)、測(cè)量鏡驅(qū)動(dòng)裝置(22)中的任意組合。
10.如權(quán)利要求5或6所述的一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量裝置，其特征在于還可以在平行的測(cè)量光束中增加焦深壓縮光學(xué)系統(tǒng)，使其與差動(dòng)共焦系統(tǒng)(14)配合工作，壓縮測(cè)量透鏡的焦深，提高定焦靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于差動(dòng)共焦技術(shù)的透鏡折射率與厚度的測(cè)量方法及裝置，屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，用于球面透鏡折射率和厚度的高精度測(cè)量。本發(fā)明基于光線追跡原理，利用激光差動(dòng)共焦響應(yīng)曲線的絕對(duì)零點(diǎn)來精確確定被測(cè)透鏡前表面與光軸交點(diǎn)、后表面與光軸交點(diǎn)以及有、無被測(cè)透鏡時(shí)測(cè)量鏡的位置，然后利用測(cè)量鏡的位置和預(yù)先測(cè)得的測(cè)量鏡的曲率半徑、焦距及光瞳大小，來對(duì)被測(cè)透鏡兩球面及參考反射面來進(jìn)行逐面光線追跡計(jì)算，繼而實(shí)現(xiàn)被測(cè)透鏡的折射率和厚度的高精度無損測(cè)量。本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種球面透鏡的折射率和厚度測(cè)量，特別是薄透鏡的折射率和厚度測(cè)量領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01B11/06GK101769821SQ20101010574
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者趙維謙, 王允, 邱麗榮, 沙定國, 蘇大圖 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)