一种透镜中心厚度干涉测量方法技术

本发明专利技术公开了一种透镜中心厚度干涉测量方法，该方法首先通过移动被测透镜，使干涉仪出射的平行光束经过标准镜头后会聚在被测透镜表面。然后采用双路测距干涉仪进行距离测量及面形误差补偿，获取被测透镜前后表面顶点处两次定位的位置坐标，然后利用光线追迹公式计算透镜中心厚度。该方法使用的测量装置包括干涉仪，标准物镜，激光测距仪，五维调整架及移动导轨。其中标准物镜和被测透镜依次放在干涉仪光源出射光线方向。被测透镜固定在五维调整架上，可在导轨上移动。本发明专利技术利用干涉法对透镜表面定位及位置补偿，实现了透镜中心厚度的非接触测量。

【技术实现步骤摘要】
一种透镜中心厚度干涉测量方法
本专利技术属于光学测量
，具体涉及的是一种透镜中心厚度干涉测量方法。
技术介绍
在光学领域中，透镜中心厚度的测量具有重要意义。透镜中心厚度是光学元件的一个重要参数之一，其加工质量的好坏会对光学系统的成像质量产生较大影响。目前透镜中心厚度测量技术可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量，通常使用千分表、千分尺、高度计等量具测量，测量时检验员需要来回移动被测透镜，以寻找透镜中心点的位置，因此测量速度慢，再加上测量力及透镜自身重量等因素影响，极易造成被测透镜表面划痕等缺陷，尤其是大口径光学元件。非接触式测量，目前主要有共面电容法、图像测量法、偏振光干涉法和激光差动共焦法。1994年在《仪器仪表学报》中发表的《光学透镜中心厚度自动检测仪》一文中，采用共面电容法测量透镜中心厚度，但该方法需要对共面电容测头进行精确测试，已获得可靠数据作为检测依据；2005年在《传感器技术》上发表的《基于图像测量技术的装配间隙在线测量研究》文中，介绍了一种基于图像测量技术的在线检测方法对透镜厚度进行测量，但该法受CCD分辨率、摄像机成像系统、标定系统精度和图像清晰程度等影响，测量误差较大；中国专利“一种微小光学间隔的测量装置”(专利号：93238743.8)中，利用偏振光干涉法测量透镜厚度，该方法实测时易受测量环境影响，目前只用于测量玻璃平板厚度。中国专利“差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置”(公开号：101793500A)中，利用差动共焦光锥对透镜表面顶点进行定位，可实现透镜中心厚度的非接触高精度测量。本专利技术利用干涉仪出射的平行光束分别会聚到被测透镜前表面及后表面，通过观察干涉条纹及面形误差离焦项进行定位，并对测距干涉仪测量得到的位置坐标进行修正，计算得到被测透镜中心厚度。本专利技术方法可对平面透镜、球面透镜的中心厚度进行测量，具有操作简便、高效、不损伤被测透镜表面等优点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决透镜中心厚度的非接触高精度测量问题，提出一种透镜中心厚度干涉测量方法，本专利技术基于光线追迹公式，利用干涉条纹及面形误差离焦项来确定并修正被测透镜前表面与光轴的交点、后表面与光轴交点位置，然后利用被测透镜的位置和预先测得的被测透镜前表面曲率半径、标准物镜的焦距及通光口径，来对被测透镜进行光线追迹，继而实现被测透镜中心厚度的测量。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术的一种透镜中心厚度干涉测量方法，其具体步骤如下：步骤一、将被测透镜安装在五维调整架上，再将五维调整架安装在导轨上，同时在五维调整架与干涉仪之间对称安装两路测距干涉仪，调整测距干涉仪测量光束与导轨平行；步骤二、打开干涉仪，产生平行测量光束；调整被测透镜与标准物镜同轴，并调整标准物镜与被测透镜垂直于平行光束；步骤三、使测量光束聚焦到被测透镜前表面；具体过程为：在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜会聚，到达被测透镜前表面，经过被测透镜前表面的反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜前表面，记录此时面形误差离焦项p1,并通过测距干涉仪记录此时被测透镜的位置z1；步骤四、时测量光束聚焦到被测透镜后表面；具体过程为：在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜会聚，到达被测透镜后表面，经过被测透镜后表面的反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜后表面，记录此时面形误差离焦项p2,并通过测距干涉仪记录此时被测透镜的位置z2；步骤五、得到被测透镜的中心厚度d；由步骤三、四得到的被测透镜的位置z1和z2，及被测透镜前表面和后表面面形误差离焦项p1和p2，结合被测透镜前表面的曲率半径r、空气折射率n0、被测透镜的折射率n1、标准物镜的焦距f′及通光口径D，使用光线追迹的方法获得被测透镜的中心厚度。进一步的，本专利技术的一种透镜中心厚度干涉测量方法，所述使用光线追迹方法精确获得被测透镜的中心厚度d的具体步骤为：U＝arctan(D/2f′)(1)其中，U为被测透镜前表面入射光线与光轴的夹角(数值孔径角)；D为测量时平行光束的通光口径；L＝|z2-z1+8×(f′/D)2×(p2-p1)|(2)其中，L为被测透镜前表面入射光线与光轴的交点到被测透镜前表面与光轴交点的距离；当被测透镜为球面透镜时,其中，r为被测透镜前表面的曲率半径；n0为空气折射率，n1为被测透镜的折射率；U′为被测透镜前表面出射光线与光轴的夹角；L′为被测透镜前表面出射光线与光轴的焦点到被测透镜前表面与光轴交点的距离，即：被测透镜前表面与光轴交点到被测透镜后表面与光轴交点的距离，也即被测透镜的中心厚度d；通过将公式1和公式2带入公式3和公式4，即可获得被测球面透镜的中心厚度。当被测透镜为平面透镜时，其中，n0为空气折射率，n1为被测透镜的折射率；U为被测透镜前表面入射光线与光轴的夹角；L′为被测透镜前表面出射光线与光轴的焦点到被测透镜前表面与光轴交点的距离，即：被测透镜前表面与光轴交点到被测透镜后表面与光轴交点的距离，也即被测透镜的中心厚度d；通过将公式1和公式2带入公式5，即可获得被测平面透镜的中心厚度。进一步的，本专利技术的一种透镜中心厚度干涉测量方法，通过干涉仪测量得到的被测透镜前表面和后表面的面形误差离焦项定位，并且利用面形误差离焦项修正测距干涉仪测量得到的位置坐标；进一步的，本专利技术的一种透镜中心厚度干涉测量方法，可以测量凹透镜、凸透镜及平面透镜的中心厚度；进一步的，本专利技术的一种透镜中心厚度干涉测量方法，所述的对称双路测距干涉仪还可以用单路测距干涉仪替换，该单路测距干涉仪可直接沿光轴安装于五维调整架背面；进一步的，本专利技术的一种透镜中心厚度干涉测量方法，包括干涉仪、标准物镜、被测透镜、测距干涉仪、五维调整架及导轨，其中标准物镜和被测透镜依次放在干涉仪出射光线方向，标准物镜与被测透镜垂直于干涉仪出射光线方向；测距干涉仪的测量光束、导轨均平行于干涉仪出射光线方向。本专利技术对比已有技术具有以下创新点：(1)本透镜中心厚度测量方法利用干涉条纹对被测透镜表面实现非接触高精度定位，不损伤透镜表面，测量速度快等优点。(2)利用干涉测量得到的被测透镜表面面形误差的离焦项，可以对测距干涉仪测量得到的透镜表面位置进行修正。(3)本专利技术可以对凹透镜、凸透镜及平面透镜的中心厚度进行测量。附图说明图1是本专利技术的测量装置示意图；图2是本专利技术的凹透镜厚度测量实施例示意图；图3是本专利技术的凹透镜厚度测量实施例干涉图样；图4是本专利技术的平面透镜厚度测量实施例示意图；图5是本专利技术的平面透镜厚度测量实施例干涉图样；其中：1-干涉仪、2-标准物镜、3-被测透镜、4-测距干涉仪、5-五维调整架、6-被测透镜前表面、7-被测透镜后表面、8-导轨。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作详细说明本专利技术的基本思想是利用干涉条纹及面形误差对透镜表面顶点进行精确定位，实现透镜中心厚度测量，并利用面形误差离焦项对测量结果进行修正。实施例一如图1、图2所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透镜中心厚度干涉测量方法，其特征在于：其具体步骤如下：步骤一、将被测透镜安装在五维调整架(5)上，再将五维调整架(5)安装在导轨(8)上，同时在五维调整架与干涉仪之间对称安装两路测距干涉仪(4)，调整测距干涉仪(4)测量光束与导轨(8)平行；步骤二、打开干涉仪(1)，产生平行测量光束；调整被测透镜(3)与标准物镜(2)同轴，并调整标准物镜(2)与被测透镜(3)垂直于平行光束；步骤三、使测量光束聚焦到被测透镜前表面(6)；具体过程为：在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜(2)会聚，到达被测透镜前表面(6)，经过被测透镜前表面(6)反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜(2)，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜(3)，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜前表面(6)，记录此时面形误差离焦项p1,并通过测距干涉仪(4)记录此时被测透镜(3)的位置z1；步骤四、使测量光束聚焦到被测透镜后表面(7)；具体过程为：在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜(2)会聚，到达被测透镜后表面(7)，经过被测透镜后表面(7)的反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜(2)，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜(3)，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜后表面(7)，记录此时面形误差离焦项p2,并通过测距干涉仪(4)记录此时被测透镜(3)的位置z2；步骤五、得到被测透镜(3)的中心厚度d；由步骤三、四得到的被测透镜(3)的位置z1和z2，及被测透镜前表面(6)和后表面(7)面形误差离焦项p1和p2，结合被测透镜前表面(6)的曲率半径r、空气折射率n0、被测透镜的折射率n1、标准物镜的焦距f'及通光口径D，使用光线追迹的方法获得被测透镜(3)的中心厚度。...

【技术特征摘要】
1.一种透镜中心厚度干涉测量方法，其特征在于：其具体步骤如下：步骤一、将被测透镜安装在五维调整架(5)上，再将五维调整架(5)安装在导轨(8)上，同时在五维调整架(5)与干涉仪(1)之间对称安装两路测距干涉仪(4)，调整测距干涉仪(4)测量光束与导轨(8)平行；步骤二、打开干涉仪(1)，产生平行测量光束；调整被测透镜(3)与标准物镜(2)同轴，并调整标准物镜(2)与被测透镜(3)垂直于平行光束；步骤三、使测量光束聚焦到被测透镜前表面(6)；具体过程为：在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜(2)会聚，到达被测透镜前表面(6)，经过被测透镜前表面(6)反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜(2)，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜(3)，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜前表面(6)，记录此时面形误差离焦项p1,并通过测距干涉仪(4)记录此时被测透镜(3)的位置z1；步骤四、使测量光束聚焦到被测透镜后表面(7)；具体过程为：在步骤一、二操作的基础上，测量光束被标准物镜(2)会聚，到达被测透镜后表面(7)，经过被测透镜后表面(7)的反射后，将沿着对称光路位置返回，反射光线穿过标准物镜(2)，与干涉仪中的参考光束形成干涉条纹；在光轴方向上移动被测透镜(3)，使干涉仪探测到的面形误差离焦项近似为零，此时测量光束聚焦到被测透镜后表面(7)，记录此时面形误差离焦项p2,并通过测距干涉仪(4)记录此时被测透镜(3)的位置z2；步骤五、得到被测透镜(3)的中心厚度d；由步骤三、四得到的被测透镜(3)的位置z1和z2，及被测透镜前表面(6)和后表面(7)面形误差离焦项p1和p2，结合被测透镜前表面(6)的曲率半径r、空气折射率n0、被测透镜的折射率n1、标准物镜的焦距f'及通光口径D，使用光线追迹的方法获得被测透镜(3)的中心厚度；所述使用光线追迹方法精确获得被测透镜(3)的中心厚度d的具体步骤为：U＝arctan(D/2f′)(1)其中，U为被测透镜前表面(6)入射光线与光轴的夹角即数值孔径角；D为测量时平行光束的通光口径；L＝|z2-z1...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛洁，侯溪，伍凡，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51