[发明专利]基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置，属于光学精密测量技术领域，用于球面透镜折射率和厚度的高精度测量。

背景技术

球面透镜是光学系统中最常用的元件，球面透镜的折射率、曲率半径和厚度是其基本参数，其直接决定透镜的焦距、主平面位置、理论相差等性能参数，因而球面透镜参数曲率半径、透镜厚度和折射率的测量一直是光学测量中最基本的测量问题。目前，关于透镜曲率半径的测量方法很多，但对于透镜折射率和厚度的非接触高精度测量方法却很少。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，并且上述两种方法的测量精度很高，但其缺点是需要将透镜的材料加工成特定的形状，因而无法直接用于透镜折射率的测量。上述方法适用于在制作透镜以前，预先对该批次玻璃材料的折射率进行测量时使用，但由于玻璃材质自身的不均匀性，同一批次的玻璃折射率常存在一定差异，这对精密光学元件来说这种差异是不可忽略的，因此，对透镜折射率和厚度进行非接触的高精度测量是十分必要的。

针对透镜折射率和厚度的测量，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，利用阿贝法等方法测量混合液的折射率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，但其缺点是折射率液的调配过程繁琐，厚度需要另行测量，需要辅助测量设备并且难以实现工程化。

国外的透镜折射率和厚度测量方面，Eduardo A.Barbosa等学者在文献《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测量透镜的折射率和厚度。该方法通过多步移相，采集到被测透镜的两个面的反射光的干涉图样，计算出透镜折射率和厚度。该方法测量过程简便，可以独立测量，但其缺点是：数据处理过程繁琐，并且利用干涉成像，易受环境干扰，测量精度不高。Hiroyuki Suhara在《Interferometricmeasurement of the refractive-index distribution in plastic lenses by use ofcomputed tomography》(Applied Optics，41，25，2002)中提出使用浸液法与干涉法结合的方法测量透镜折射率的方法。该方法对透镜折射率的微小波动的测量达到了很高的精度，但其缺点是：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；并且该方法不能用来测量透镜样品的厚度。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，灵敏度高于以垂轴方向响应为判断依据的评价方法，并且由于采用光强作为数据信息，相比干涉法和浸液法具有更高的抗环境干扰能力。例如：文献《具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法》(国家专利：200410006359.6)提出了超分辨差动共焦扫描检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了抗环境扰动能力，但差动共焦技术主要适用于微观显微测量领域，而将该项技术直接应用于定焦，继而实现球面折射率和厚度测量，迄今为止尚未见到。

发明内容

本发明的目的是为了解决已有技术存在的不足，提供一种基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法及装置。本发明基于光线追迹原理，利用激光差动共焦响应曲线的绝对零点来精确确定被测透镜前表面与光轴交点、后表面与光轴交点以及有、无透镜时测量镜的位置，然后利用测量镜的位置和预先测得的测量镜的曲率半径、焦距及光瞳大小，来对被测透镜两球面及参考反射面来进行逐面光线追迹计算，继而实现被测透镜的折射率和厚度的高精度无损测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种基于差动共焦技术的透镜折射率与厚度的测量方法，其具体步骤如下：

步骤一、打开光源，生成平行的测量光束，测量光束穿过分光系统；调整被测透镜与测量镜同轴并调整测量镜、被测透镜与反射镜垂直于平行光束；

步骤二、使测量光束聚焦到被测透镜前表面；具体过程为：