專利名稱：反射式差動共焦透鏡焦距測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學精密測量技術領域，可用于透鏡焦距的檢測與光學系統(tǒng)裝配過程中的高精度焦距測量。
背景技術：
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，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，在實際應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，其測量準確度通常為0. 3 %左右。近些年隨著光電技術及計算機處理技術的發(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直望遠鏡法和自準直顯微鏡法兩種，這兩種方法均是通過將被測透鏡放置在自準直儀上來實現(xiàn)。用自準直顯微鏡測量正透鏡頂焦距和焦距的準確度較常用的放大率法高出5 30倍，而且設備簡單。自準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，但其測量準確度較低。當然，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》中的《泰伯-莫爾法測量長焦距系統(tǒng)的焦距》，發(fā)表在《光子學報》中的《Ronchi光柵Talbot效應長焦距測量的準確度極限石開究》，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)外顯微成像領域的差動共焦技術迅速發(fā)展，該技術以軸向的光強響應曲線作為評價尺度。由于光學系統(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的啟發(fā)下，率先提出將差動共焦測量技術應用于元件參數(shù)測量領域，利用差動共焦技術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的又一元件參數(shù)測量方法，該技術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，并且該技術易與環(huán)形光瞳濾波器等技術融合，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)明提出一種反射式差動共焦透鏡焦距測量方法。該反射式差動共焦透鏡焦距測量方法的核心思想是，利用差動共焦測量技術并借助平面反射鏡，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方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種反射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、準直透鏡和被測透鏡后照射在平面反射鏡上，由平面反射鏡的表面反射，反射回來的光經(jīng)被測透鏡和準直透鏡后由分光鏡反射進入差動共焦測量系統(tǒng)；(b)調(diào)整被測透鏡，使其與準直透鏡共光軸。準直透鏡將點光源產(chǎn)生的光準直成平行光。平行光照射在被測透鏡上，由被測透鏡會聚形成測量光束照射在平面反射鏡上。調(diào)整平面反射鏡，使其與準直透鏡共光軸；(C)沿光軸方向移動平面反射鏡，使測量光束的聚焦焦點與平面反射鏡表面接近。 在該位置附近掃描平面反射鏡，由差動共焦測量系統(tǒng)測得差動共焦響應曲線，通過差動共焦響應曲線的零點來確定測量光束的焦點與平面反射鏡的表面相重合，進而精確確定被測透鏡的焦點位置，記錄此時平面反射鏡的位置Z1 ;(d)將平面反射鏡沿光軸向被測透鏡方向移動，使測量光束由平面反射鏡反射后聚焦到被測透鏡表面附近。在該位置附近掃描平面反射鏡，由差動共焦測量系統(tǒng)測得差動共焦響應曲線，通過差動共焦響應曲線的零點來確定測量光束的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，記錄此時平面反射鏡的位置Z2 ;(e)根據(jù)上述兩次定焦得到的平面反射鏡位置Zl、Z2之間的距離d，即可測得被測透鏡的頂焦距I/ =2d。本發(fā)明所述的反射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
權利要求
1.反射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、準直透鏡和被測透鏡后照射在平面反射鏡上， 由平面反射鏡的表面反射，反射回來的光經(jīng)被測透鏡和準直透鏡后由分光鏡反射進入差動共焦測量系統(tǒng)；(b)調(diào)整被測透鏡，使其與準直透鏡共光軸；準直透鏡將點光源產(chǎn)生的光準直成平行光；平行光照射在被測透鏡上，由被測透鏡會聚形成測量光束照射在平面反射鏡上；調(diào)整平面反射鏡，使其與準直透鏡共光軸；(C)沿光軸方向移動平面反射鏡，使測量光束的聚焦焦點與平面反射鏡表面接近；在該位置附近掃描平面反射鏡，由差動共焦測量系統(tǒng)測得差動共焦響應曲線，通過差動共焦響應曲線的零點來確定測量光束的焦點與平面反射鏡的表面相重合，進而精確確定被測透鏡的焦點位置，記錄此時平面反射鏡的位置Z1 ;(d)將平面反射鏡沿光軸向被測透鏡方向移動，使測量光束由平面反射鏡反射后聚焦到被測透鏡表面附近；在該位置附近掃描平面反射鏡，由差動共焦測量系統(tǒng)測得差動共焦響應曲線，通過差動共焦響應曲線的零點來確定測量光束的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，記錄此時平面反射鏡的位置Z2 ;(e)根據(jù)上述兩次定焦得到的平面反射鏡位置Zl、Z2之間的距離d，即可測得被測透鏡的頂焦距V = 2d。
2.根據(jù)權利要求I所述的反射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^、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)權利要求I或2所述的反射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，提聞定焦精度。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的反射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)權利要求I或2所述的反射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)制的差動共焦響應信號，將該調(diào)制信號解調(diào)后得到差動共焦響應曲線，從而提高系統(tǒng)的定焦靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學精密測量技術領域，涉及一種反射式差動共焦透鏡焦距測量方法。該方法通過差動共焦測量方法配合平面反射鏡精確定位透鏡表面頂點和焦點位置，進而測得透鏡頂焦距及焦距。本發(fā)明首次提出通過差動共焦響應曲線過零點時對應被測透鏡焦點和表面頂點特性實現(xiàn)精確定焦，將差動共焦測量技術擴展到透鏡焦距測量領域，具有測量精度高、抗環(huán)境干擾能力強的優(yōu)點，可用于透鏡焦距的高精度檢測。
文檔編號G01M11/02GK102589854SQ201210011999
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權日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