專利名稱：自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域，可用于透鏡焦距的檢測與光學(xué)系統(tǒng)裝配過程中的高精度焦距測量。
背景技術(shù)：
焦距測量是一個古老而經(jīng)典的透鏡參數(shù)測量專題，其重要性當(dāng)然是不言而喻的。 焦距是透鏡眾多參數(shù)中最重要的參數(shù)之一，對于透鏡設(shè)計而言，無非就是調(diào)整各個參數(shù)以保證透鏡焦距滿足設(shè)計要求并且成像性能滿足系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計和裝調(diào)過程中，這兩個參數(shù)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(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在實際應(yīng)用中人們對所使用透鏡各種參數(shù)的精度也提出了越發(fā)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(tǒng)的有目視調(diào)焦放大率法。該方法將被測透鏡放置于平行光管物鏡前，并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，通過測量放大后刻線的間距進而求得被測透鏡的焦距。該方法由于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(shù)據(jù)，所以存在效率低、測值不穩(wěn)定等缺點，其測量準(zhǔn)確度通常為0. 3 %左右。近些年隨著光電技術(shù)及計算機處理技術(shù)的發(fā)展，該方法已逐步被一種采用光電探測器和數(shù)字圖像處理測量透鏡頂焦距及焦距的方法所替代。由于該方法避免了測量過程中由人為因素產(chǎn)生的誤差，系統(tǒng)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(zhǔn)直望遠鏡法和自準(zhǔn)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(zhǔn)直儀上來實現(xiàn)。用自準(zhǔn)直顯微鏡測量正透鏡頂焦距和焦距的準(zhǔn)確度較常用的放大率法高出5 30倍，而且設(shè)備簡單。自準(zhǔn)直望遠鏡較多用于測量負透鏡的焦距和頂焦距，還用于測量甚長焦距的正透鏡的焦距，但其測量準(zhǔn)確度較低。當(dāng)然，除上述三種經(jīng)典的透鏡頂焦距及焦距測量方法之外，國內(nèi)外學(xué)者還提出了很多新的測量方法，發(fā)表的文獻包括發(fā)表在《中國測試技術(shù)》中的《泰伯-莫爾法測量長焦距系統(tǒng)的焦距》，發(fā)表在《光子學(xué)報》中的《Ronchi光柵Talbot效應(yīng)長焦距測量的準(zhǔn)確度極限石開究》，發(fā)表在《The Optical Society of America》中的《Focal length measurements for the National Ignition Facility large lenses》，發(fā)表在《APPLIED OPTICS》中的 ((Talbot interferometry for measuring the focal length of a lens〉〉等，本發(fā)明人也曾在《OPTICS EXPRESS》中發(fā)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于測量超長焦距，若用于一般焦距及較短焦距的測量，則或誤差較大或無法實現(xiàn)。近年來，國內(nèi)外顯微成像領(lǐng)域的差動共焦技術(shù)迅速發(fā)展，該技術(shù)以軸向的光強響應(yīng)曲線作為評價尺度。由于光學(xué)系統(tǒng)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于垂軸方向的評價方法，并且該方法采用光強作為數(shù)據(jù)信息，相比圖像處理方法具有更高的抗環(huán)境干擾能力。例如中國專利“具有高空間分辨率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(tǒng)軸向分辨力達到納米級，并顯著提高了環(huán)境抗擾動能力。本發(fā)明人在差動共焦顯微成像技術(shù)的啟發(fā)下，率先提出將差動共焦測量技術(shù)應(yīng)用于元件參數(shù)測量領(lǐng)域，利用差動共焦技術(shù)的高軸向分辨率提高元件參數(shù)的檢測精度，現(xiàn)已申請多項國家發(fā)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“基于差動共焦技術(shù)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(fā)明是基于差動共焦技術(shù)的又一元件參數(shù)測量方法，該技術(shù)相比于以往測量方法具有測量精度高、抗干擾能力強及智能化程度高等諸多優(yōu)點，并且該技術(shù)易與環(huán)形光瞳濾波器等技術(shù)融合，能更進一步提高測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高透鏡頂焦距及焦距的測量精度，本發(fā)明提出一種自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法，將自準(zhǔn)直思想融入差動共焦測量方法，進而實現(xiàn)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(zhǔn)直成的平行光束沿原光路反射， 并配合差動共焦技術(shù)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(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種自準(zhǔn)直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(fā)出的光經(jīng)分光鏡、準(zhǔn)直透鏡后形成平行光束，該平行光束經(jīng)會聚透鏡會聚后形成測量光束照射在被測透鏡上。輔助平面反射鏡放置于被測透鏡后方， 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(jīng)被測透鏡、會聚透鏡和準(zhǔn)直透鏡后由分光鏡反射進入差動共焦測量系統(tǒng)；(b)被測透鏡與輔助平面反射鏡組成被測系統(tǒng)，移動被測系統(tǒng)能使被測透鏡和輔助平面反射鏡同時沿光軸方向移動。調(diào)整被測透鏡，使其與測量光束共光軸，調(diào)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(tǒng)，使測量光束的聚焦焦點與被測透鏡焦點接近。當(dāng)測量光束聚焦焦點與被測透鏡的焦點重合時，測量光束經(jīng)被測透鏡準(zhǔn)直后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(tǒng)，由差動共焦測量系統(tǒng)測得差動共焦響應(yīng)曲線，通過差動共焦響應(yīng)曲線的零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(tǒng)的位置Z1 ;(d)繼續(xù)沿光軸方向移動被測系統(tǒng)，使測量光束聚焦于被測透鏡表面附近。在該位置附近掃描被測系統(tǒng)，由差動共焦測量系統(tǒng)測得差動共焦響應(yīng)曲線，通過差動共焦響應(yīng)曲線的零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(tǒng)的位置Z2 ;
(e)根據(jù)上述兩次定焦得到的被測系統(tǒng)位置Zl、Z2,即可得到被測透鏡的頂焦距本發(fā)明所述的自準(zhǔn)直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(jù)被測透鏡前表面曲率半徑^、后表面曲率半徑r2、折射率n和厚度b，可間接測得被測透鏡的焦距本發(fā)明所述的自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法，還可以在光路中增加環(huán)形光瞳對測量光束進行調(diào)制，形成環(huán)形光束，降低定焦時波相差對測量光束的影響，提高定焦精度。本發(fā)明所述的自準(zhǔn)直式差動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(xué)系統(tǒng)，使其與差動共焦測量系統(tǒng)配合工作，提高定焦靈敏度。本發(fā)明所述的自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法，還可以對點光源發(fā)出的光進行光強調(diào)制，由差動共焦測量系統(tǒng)中的光強傳感器探測得到受調(diào)制的差動共焦響應(yīng)信號， 將該調(diào)制信號解調(diào)后得到差動共焦響應(yīng)曲線，從而提高系統(tǒng)的定焦靈敏度。有益效果本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點I.首次將自準(zhǔn)直測量思想融入到差動共焦測量方法中，利用差動共焦響應(yīng)曲線的過零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，差動共焦原理以光強響應(yīng)曲線作為定焦判據(jù)，并配合差動共焦系統(tǒng)進行光強調(diào)制與濾波，能有效削減空氣擾動等環(huán)境干擾對測量精度的影響；3.在光路中引入環(huán)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(jié)果的影響。本發(fā)明對比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點I.差動共焦技術(shù)以軸向的光強響應(yīng)曲線作為評價尺度，由于光學(xué)系統(tǒng)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(fā)明相比放大率法等焦距測量方法具有更高的測量精度；2.差動工作方式可以削減空氣擾動等環(huán)境干擾對測量精度的影響；3.經(jīng)系統(tǒng)準(zhǔn)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(fā)明自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法的示意圖；圖2為本發(fā)明自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量實施例的示意圖；圖3為本發(fā)明由差動共焦測量系統(tǒng)探測得到的差動共焦響應(yīng)曲線；其中1_點光源、2-分光鏡、3-準(zhǔn)直透鏡、4-環(huán)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-差動共焦測量系統(tǒng)、10-焦后針孔、11-焦后光強傳感器、12-焦前針孔、13-焦前光強傳感器、14-分光鏡、15-焦后顯微物鏡、16-CXD探測器、 17-焦前顯微物鏡、18-CCD探測器、19-點光源發(fā)生裝置、20-光纖、21-激光器、22-主控計算機、23-圖像采集卡、24-圖像采集卡、25-機電控制裝置、26-直線平移導(dǎo)軌、27-四維調(diào)整架、28- 二維調(diào)整架、29-平移塊、30-被測系統(tǒng)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明使用一種基于差動共焦測量技術(shù)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(zhǔn)直成的平行光束沿原光路反射折回，并配合差動共焦技術(shù)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(dāng)被測透鏡7是口徑為D = 25. 4mm、前表面曲率半徑F1 = 90. 1mm、后表面曲率半徑r2 = -115. 4mm、材料為K9玻璃、厚度b = 4mm、標(biāo)稱焦距及頂焦距分別為f' 99mm、I/ =97. 5mm的凸透鏡時，自準(zhǔn)直式差動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22中的測量軟件，打開激光器21，激光器21所發(fā)出的光經(jīng)光纖20傳輸后形成點光源I。點光源I發(fā)出的光經(jīng)分光鏡2和準(zhǔn)直透鏡3后形成平行光束, 該平行光束經(jīng)會聚透鏡5會聚后形成測量光束6 ；(b)被測透鏡7放置于四維調(diào)整架27上，輔助平面反射鏡8放置于二維調(diào)整架28 上，四維調(diào)整架27和二維調(diào)整架28同時固定在直線平移導(dǎo)軌26的平移塊29上，平移塊29 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(diào)整架27調(diào)整被測透鏡7，使其與測量光束6共光軸，通過二維調(diào)整架28調(diào)整輔助平面反射鏡8，使其表面與測量光束6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22中的測量軟件通過機電控制裝置25控制直線平移導(dǎo)軌26上的平移塊29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29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(dāng)測量光束6的聚焦焦點與被測透鏡7的焦點重合時，測量光束6經(jīng)被測透鏡7準(zhǔn)直后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。然后在該位置附近掃描被測透鏡7和輔助平面反射鏡8，測量軟件通過圖像采集卡24和圖像采集卡23采集得到焦前光斑數(shù)據(jù)和焦后光斑數(shù)據(jù)并處理出如附圖3所示的差動共焦響應(yīng)曲線。 通過差動共焦響應(yīng)曲線的零點來確定測量光束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29的位置Z1 = 102. 9244mm ；(e)繼續(xù)通過平移塊29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聚焦于被測透鏡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， 測量軟件再次通過圖像采集卡24和圖像采集卡23采集得到焦前光斑數(shù)據(jù)和焦后光斑數(shù)據(jù)并處理出如附圖3所示的差動共焦響應(yīng)曲線。通過差動共焦響應(yīng)曲線的零點來確定測量光束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的表面頂點位置，此時平移塊29的位置為z2 = 5. 3968mm ；(f)根據(jù)上述兩次定焦得到的平移塊29的位置zi、z2，即可得到被測透鏡7的頂焦距I/ = Z1-Z2 = 97. 5276mm。如附圖I所示，該自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法中的差動共焦測量系統(tǒng)9包括分光鏡14、焦前針孔12、焦前光強傳感器13、焦后針孔10和焦后光強傳感器11。由分光鏡2反射回來的光進入差動共焦測量系統(tǒng)9，由分光鏡14將光束分成兩路，一路通過焦前針孔12后，照射在焦前光強傳感器13上，另一路通過焦后針孔10后，照射在焦后光強傳感器11上。實際系統(tǒng)設(shè)計中，通常采用如附圖2中所示的差動共焦測量系統(tǒng)9降低系統(tǒng)裝調(diào)難度。該差動共焦測量系統(tǒng)9包括分光鏡14、焦前顯微物鏡17、CCD探測器18、焦后顯微物鏡15和CXD探測器16。其中焦前顯微物鏡17的物平面位于焦前，在其像平面放置CXD 探測器18，焦后顯微物鏡15的物平面位于焦后，在其像平面放置CXD探測器16。由分光鏡 2反射回來的光進入差動共焦測量系統(tǒng)9，由分光鏡14將光線分成兩路，一路通過焦前顯微物鏡17成像在CXD探測器18上，另一路通過焦后顯微物鏡15成像在CXD探測器16上。實施例2根據(jù)被測透鏡7前表面曲率半徑F1 = 90. 1mm、后表面曲率半徑r2 = -115. 4mm、折射率n = I. 5163、厚度b = 4mm,以及實施例I測得的透鏡頂焦距I/ = 97. 5276mm,可間接測得被測透鏡7的焦距P = If '+-—-= 99.0176歷
n(r2-rl)+(n-V)b此實施例通過一系列的措施實現(xiàn)了對被測透鏡7的頂焦距及焦距的測量。在測量過程中，采用差動共焦測量方法對被測透鏡7的焦點及表面頂點進行精確定焦，測量精度高，抗環(huán)境干擾能力強。以上結(jié)合附圖對本發(fā)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(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動都是本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法，其特征在于(a)打開點光源，其發(fā)出的光經(jīng)分光鏡、準(zhǔn)直透鏡后形成平行光束，該平行光束經(jīng)會聚透鏡會聚后形成測量光束照射在被測透鏡上；輔助平面反射鏡放置于被測透鏡后方，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(jīng)被測透鏡、會聚透鏡和準(zhǔn)直透鏡后由分光鏡反射進入差動共焦測量系統(tǒng)；(b)被測透鏡與輔助平面反射鏡組成被測系統(tǒng)，移動被測系統(tǒng)能使被測透鏡和輔助平面反射鏡同時沿光軸方向移動；調(diào)整被測透鏡，使其與測量光束共光軸，調(diào)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(tǒng)，使測量光束的聚焦焦點與被測透鏡焦點接近；當(dāng)測量光束聚焦焦點與被測透鏡的焦點重合時，測量光束經(jīng)被測透鏡準(zhǔn)直后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(tǒng)，由差動共焦測量系統(tǒng)測得差動共焦響應(yīng)曲線，通過差動共焦響應(yīng)曲線的零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(tǒng)的位置Z1 ;(d)繼續(xù)沿光軸方向移動被測系統(tǒng)，使測量光束聚焦于被測透鏡表面附近；在該位置附近掃描被測系統(tǒng)，由差動共焦測量系統(tǒng)測得差動共焦響應(yīng)曲線，通過差動共焦響應(yīng)曲線的零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(tǒng)的位置Z2 ;(e)根據(jù)上述兩次定焦得到的被測系統(tǒng)位置Zl、z2，即可得到被測透鏡的頂焦距I/=Z1-Z21。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法，其特征在于根據(jù)被測透鏡前表面曲率半徑F1、后表面曲率半徑r2、折射率n和厚度b，可間接測得被測透鏡的焦距
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法，其特征在于在光路中增加環(huán)形光瞳對測量光束進行調(diào)制，形成環(huán)形光束，降低定焦時波相差對測量光束的影響，提高定焦精度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法，其特征在于在測量光束中增加焦深壓縮光學(xué)系統(tǒng)，使其與差動共焦測量系統(tǒng)配合工作，提高定焦靈敏度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法，其特征在于對點光源發(fā)出的光進行光強調(diào)制，由差動共焦測量系統(tǒng)中的光強傳感器探測得到受調(diào)制的差動共焦響應(yīng)信號，將該調(diào)制信號解調(diào)后得到差動共焦響應(yīng)曲線，從而提高系統(tǒng)的定焦靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種自準(zhǔn)直式差動共焦透鏡焦距測量方法。該方法將自準(zhǔn)直思想融入到差動共焦測量方法中，進而實現(xiàn)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(zhǔn)直成的平行光束沿原光路反射，并配合差動共焦技術(shù)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(fā)明首次將自準(zhǔn)直測量思想融入差動共焦測量方法，利用差動共焦響應(yīng)曲線的過零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(huán)境干擾能力強等優(yōu)點，可用于透鏡焦距的高精度檢測。
文檔編號G01M11/02GK102589853SQ20121001199
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)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(xué)