后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置，属于光学精密测量技术领域。本方法利用后置光瞳遮挡一半测量光束，利用差动共焦响应曲线的绝对零点分别对被测透镜的前、后表面顶点进行精确定焦，通过光线追迹及其补偿模型求得折射率。本发明专利技术首次将后置分光瞳激光差动共焦技术用于透镜折射率的高精度检测，仅用一路探测器即可实现差动共焦定焦及透镜折射率测量，将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型以消除各定焦表面参数之间的影响，并通过线性拟合绝对零点附近的数据实现快速触发定焦。系统结构及装调过程大大简化，避免了更换被测镜可能导致的定焦精度下降，测量速度、精度及抗散射能力大大提升。

Refractive Index Measurement Method and Device for Post-Splitting Pupil Laser Differential Confocal Lens

The invention relates to a method and device for measuring refractive index of post-splitting pupil laser differential confocal lens, belonging to the field of optical precision measurement technology. This method uses the rear pupil to occlude half of the measured beam, uses the absolute zero of the differential confocal response curve to precisely focus the front and rear surface vertices of the measured lens, and obtains the refractive index by ray tracing and compensation model. For the first time, the post-splitting pupil laser differential confocal technology is used for high-precision detection of lens refractive index. Differential confocal focusing and lens refractive index measurement can be realized by only one detector. The laser differential confocal technology and ray tracing technology are organically integrated, and a ray tracing and compensation model is established to eliminate the influence of each fixed surface parameter, and the effect is eliminated by linear fitting. Fast trigger focusing is realized for data near zero point. The system structure and installation process are greatly simplified, which avoids the reduction of focusing accuracy caused by replacing the measured mirror, and greatly improves the measuring speed, accuracy and anti-scattering ability.

【技术实现步骤摘要】
后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置
本专利技术涉及后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置，可用于透镜折射率的非接触式高精度测量，属于光学精密测量

技术介绍
球面透镜是光学系统中最重要的元件之一。球面透镜的折射率是其基本参数，直接决定透镜的焦距、主平面位置等性能参数，因而球面透镜折射率测量一直是光学测量中最基本的问题。目前测量玻璃折射率的主要方法是：V棱镜法和直角照射法。这两种方法的测量精度很高，但是需要将透镜材料加工成特定的形状，因此无法直接用于透镜折射率测量。上述两方法适用于制作透镜以前，预先对该批次玻璃材料的折射率进行测量时使用，但是由于玻璃材质具有一定的不均匀性，同一批次的玻璃折射率存在一定差异，这对于精密光学元件来说是不可忽略的，因此，对透镜折射率进行非接触高精度测量十分必要。为此，国内学者提出了无损的测量方法，发表的文献主要包括：《武汉测绘科技大学学报》的《透镜折射率的高精度非接触测量方法》，《哈尔滨理工大学学报》的《用环形横向剪切干涉仪测量透镜的折射率》。此类技术主要采用了浸液法，即调制不同折射率液体的混合比例使混合液体的折射率与被测透镜匹配，再利用阿贝法等方法测量混合液的折射率，从而得到被测透镜的折射率。该方法的测量精度比传统透镜成像测量方法有所提高，但是配置折射率液的过程繁琐，难以实现工程化。国外方面，EduardoA.Barbosa等学者在文献《Refractiveandgeometriclenscharaterizationthroughmulti-wavelengthdigitalspecklepatterninterferometry》(OpticsCommunications,281,1022-1029,2008)中提出采用多模激光干涉的方法测量透镜的折射率。该方法测量过程简便，但是数据处理过程繁琐，干涉条纹易受环境干扰，测量精度不高。HiroyukiSuhara在《Interferometricmeasurementoftherefractive-indexdistributioninplasticlensesbyuseofcomputedtomography》(AppliedOptics,41,25,2002)中提出使用浸液法与干涉法结合的方法测量透镜折射率。该方法的测量精度很高，但是需要使用复杂的温控系统，计算繁琐，而且测量样品的绝对折射率需要使用其他方法测量得到。本专利技术人曾于2010年申请国家专利“基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法与装置”，通过差动共焦原理精确定焦透镜的前后表面顶点位置以及有、无被测镜时平面反射镜的位置，实现了透镜折射率的测量，并可同时测得透镜的折射率。但是必须使用两路探测器，并且这两路探测器的位置需保证离焦量相等，系统结构、装调过程比较复杂，装调不准所引入的误差可能较大；更换被测镜后，两探测器的离焦量可能需要重新调整。本专利技术提出了一种后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置，使用后置光瞳遮挡一半的测量光束，收集另一半测量光束并利用分光瞳差动共焦探测系统获得差动共焦响应曲线，实现透镜折射率的高精度测量。相比于申请国家专利技术专利“基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法与装置”，本专利技术仅用一路探测器实现了激光差动共焦定焦及测量，既避免了离焦量调整不准确所引入的测量误差，又避免了测量不同被测镜可能导致的定焦灵敏度下降，同时系统结构和装调大大简化。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决球面透镜折射率高精度测试的难题，提供一种后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置，本专利技术提出通过后置光瞳收集测量光束，并使用分光瞳差动共焦探测系统进行探测的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法与装置。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的后置分光瞳差动共焦透镜折射率测量方法，包括以下步骤：步骤一、光源发出的光经分束镜、准直透镜和会聚透镜后形成测量光束照射在被测透镜上；步骤二、调整被测透镜，使被测透镜与测量光束共光轴，由被测透镜反射回来的光通过会聚透镜和准直透镜后被分束镜反射，被分光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统；步骤三、沿光轴方向移动被测透镜，使测量光束的焦点与被测透镜的前表面顶点位置重合；在该位置扫描被测透镜，由分光瞳差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜的前表面顶点的位置，并将此时前表面顶点位置记为Z1；步骤四、继续沿光轴方向移动被测透镜，使测量光束的焦点与被测透镜的后表面顶点位置重合；在后表面顶点位置扫描被测透镜，由分光瞳差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜的后表面顶点位置，并将此时后表面顶点位置记为Z2；步骤五、根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到透镜折射率n满足以下公式：代入已知参数：测量光束的数值孔径角α1、被测透镜的前表面曲率半径r1、空气折射率nair、被测透镜中心厚度t和两次定焦位置之间的距离d1＝|Z2-Z1|，即可计算得出被测透镜的折射率n。本专利技术所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，消除各层析定焦表面参数间的相互影响，进而得出透镜折射率的计算公式。如图3和公式(2)所示，设ρB为环形光瞳的最大半径，ηρB为环形光瞳的最小半径，ρ为参考测量光线的半径，SN代表被测镜组内第N个表面，ON为第N个表面SN的顶点，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的轴向间隙，iN和iN′分别为光线在第N个表面SN的入射角和出射角，lF'为当前状态下标准会聚镜的像方顶焦距。其中，lN为SN顶点到SN入射光线与光轴交点的距离，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN为SN入射光线与光轴的夹角，uN′为SN出射光线与光轴的夹角，z为测量光束会聚点的位置坐标。根据以上公式可推导得出透镜折射率的计算公式(1)，进一步实现透镜折射率的精确测量。本专利技术所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，所述分光瞳为D形分光瞳或圆形分光瞳，实现后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量。本专利技术所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波相差对测量光束的影响，减少测量误差。本专利技术所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，采用差动共焦特性曲线零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得直线的绝对零点来进行快速触发定焦，提升测量精度、速度和抗散射能力。本专利技术还提供了一种后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量装置，包括点光源、分束镜、环形光瞳、准直透镜、会聚透镜、后置光瞳、分光瞳差动共焦探测系统，主控计算机、电机驱动系统、直线导轨和五维调整架；点光源发出的测量光束依次经过分束镜、环形光瞳、准直透镜和会聚透镜后照射在被测透镜；由被测透镜反射回来的光通过会聚透镜、准直透镜和环形光瞳后经分光瞳进入分光瞳差动共本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(4)和会聚透镜(5)后形成测量光束照射在被测透镜(6)上；步骤二、调整被测透镜(6)，使被测透镜(6)与测量光束共光轴，由被测透镜(6)反射回来的光通过会聚透镜(5)和准直透镜(4)后被分束镜(2)反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统(11)；步骤三、沿光轴方向移动被测透镜(6)，使测量光束的焦点与被测透镜(6)的前表面顶点位置重合；在该位置扫描被测透镜(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜(6)的前表面顶点的位置，并将此时前表面顶点位置记为Z1；步骤四、继续沿光轴方向移动被测透镜(6)，使测量光束的焦点与被测透镜(6)的后表面顶点位置重合；在后表面顶点位置扫描被测透镜(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜(6)的后表面顶点位置，并将此时后表面顶点位置记为Z2；步骤五、根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到透镜折射率n满足以下公式：...

【技术特征摘要】
1.后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一、点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(4)和会聚透镜(5)后形成测量光束照射在被测透镜(6)上；步骤二、调整被测透镜(6)，使被测透镜(6)与测量光束共光轴，由被测透镜(6)反射回来的光通过会聚透镜(5)和准直透镜(4)后被分束镜(2)反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统(11)；步骤三、沿光轴方向移动被测透镜(6)，使测量光束的焦点与被测透镜(6)的前表面顶点位置重合；在该位置扫描被测透镜(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜(6)的前表面顶点的位置，并将此时前表面顶点位置记为Z1；步骤四、继续沿光轴方向移动被测透镜(6)，使测量光束的焦点与被测透镜(6)的后表面顶点位置重合；在后表面顶点位置扫描被测透镜(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(11)得到差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测透镜(6)的后表面顶点位置，并将此时后表面顶点位置记为Z2；步骤五、根据建立的光线追迹及其补偿模型，得到透镜折射率n满足以下公式：代入已知参数：测量光束的数值孔径角α1、被测透镜的前表面曲率半径r1、空气折射率nair、被测透镜中心厚度t和两次定焦位置之间的距离d1＝|Z2-Z1|，即可计算得出被测透镜的折射率n。2.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，消除各层析定焦表面参数间的相互影响，进而得出透镜折射率的计算公式。如图3和公式(2)所示，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN-1为第N-1个表面SN-1与第N个表面SN之间的轴向间隙，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN′为SN出射光线与光轴的夹角。根据以上公式可推导得出透镜折射率的计算公式(1)，进一步实现透镜折射率的精确测量。3.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光差动共焦...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，杨帅，邱丽荣，张培洁，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11