专利名称：反射式共焦透镜焦距测量方法
技术领域：
本发明属于光学精密测量技术领域，可用于透镜焦距的检测与光学系统装配过程中的高精度焦距测量。
背景技术：
焦距测量是一个古老而经典的透镜参数测量专题，其重要性当然是不言而喻的。 焦距是透镜众多参数中最重要的参数之一，对于透镜设计而言，无非就是调整各个参数以保证透镜焦距满足设计要求并且成像性能满足系统要求。透镜焦距测量通常包括顶焦距测量和焦距测量，在系统的设计和装调过程中，这两个参数通常密不可分，所以就要求能同时对透镜的顶焦距和焦距进行高精度的测量。且近些年来，随着科学技术的迅猛发展，在实际应用中人们对所使用透镜各种参数的精度也提出了越发严格的要求，这就要求我们不断寻找一种能更高精度测量透镜顶焦距和焦距的方法。针对透镜顶焦距及焦距测量的方法，传统的有目视调焦放大率法。该方法将被测透镜放置于平行光管物镜前，并将平行光管物镜焦面上的分划板的一对刻线成像在被测透镜焦面上，通过测量放大后刻线的间距进而求得被测透镜的焦距。该方法由于需要测量人员在光具座上逐项进行目视定焦、观测、记录、分析处理数据，所以存在效率低、测值不稳定等缺点，其测量准确度通常为O. 3%左右。近些年随着光电技术及计算机处理技术的发展， 该方法已逐步被一种采用光电探测器和数字图像处理测量透镜顶焦距及焦距的方法所替代。由于该方法避免了测量过程中由人为因素产生的误差，系统的测量精确度得到了很大程度的提高。此外，测量透镜顶焦距及焦距的方法还有自准直望远镜法和自准直显微镜法两种，这两种方法均是通过将被测透镜放置在自准直仪上来实现。用自准直显微镜测量正透镜顶焦距和焦距的准确度较常用的放大率法高出5 30倍，而且设备简单。自准直望远镜法较多用于测量负透镜的焦距和顶焦距，还用于测量甚长焦距的正透镜的焦距，但其测量准确度较低。当然，除上述三种经典的透镜顶焦距及焦距测量方法之外，国内外学者还提出了很多新的测量方法，发表的文献包括发表在《中国测试技术》中的《泰伯-莫尔法测量长焦距系统的焦距》，发表在《光子学报》中的《Ronchi光栅Talbot效应长焦距测量的准确度极限石开究》，发表在《The Optical Society of America》中的《Focal length measurements for the National Ignition Facility largelenses》，发表在《APPLIED OPTICS》中的 ((Talbot interferometry for measuring thefocal length of a lens〉〉等，本发明人也曾在《OPTICS EXPRESS》中发表文章《Laserdifferential confocal ultra-long focal length measurement)).但以上文献提出的透镜顶焦距及焦距测量方法均仅适用于测量超长焦距，若用于一般焦距及较短焦距的测量，则或误差较大或无法实现。近年来，国内外显微成像领域的共焦技术迅速发展，与传统的测量方法相比具有良好的层析能力，较高的轴向定位瞄准精度，较强的环境抗干扰能力；与差动共焦技术相比，共焦技术光路简单，易于实现。本发明人在共焦显微成像技术的启发下，率先提出将共焦测量技术应用于元件参数测量领域，利用共焦技术的高轴向分辨率提高元件参数的检测精度，现已申请多项国家发明专利，例如专利“共焦透镜中心厚度测量方法与装置”(专利号:201010128449. 8)，专利“共焦镜组轴向间隙测量方法与装置”(专利号 201010128405. 5)等。本发明是基于共焦技术的又一元件参数测量方法，该技术相比于传统测量方法具有测量精度高、抗干扰能力强及光路简单等诸多优点，并且该技术易与环形光瞳滤波器等技术融合，能更进一步提高其测量精度。
发明内容
为了提高透镜顶焦距及焦距的测量精度，本发明提出一种反射式共焦透镜焦距测量方法。该反射式共焦透镜焦距测量方法的核心思想是，利用共焦测量技术并借助平面反射镜，对被测透镜的焦点及表面顶点进行精确定位，进而得到被测透镜的顶焦距及焦距。本发明的目的是通过下述技术方案实现的。本发明的一种反射式共焦透镜焦距测量方法，包括以下步骤 (a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和被测透镜后照射在平面反射镜上，由平面反射镜的表面反射，反射回来的光经被测透镜和准直透镜后由分光镜反射进入共焦测量系统；(b)调整被测透镜，使其与准直透镜共光轴。准直透镜将点光源产生的光准直成平行光；平行光照射在被测透镜上，由被测透镜会聚形成测量光束照射在平面反射镜上。调整平面反射镜，使其与准直透镜共光轴；(C)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的聚焦焦点与平面反射镜表面接近。 在该位置附近扫描平面反射镜，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的焦点与平面反射镜的表面相重合，进而精确确定被测透镜的焦点位置，记录此时平面反射镜的位置Z1 ;(d)将平面反射镜沿光轴向被测透镜方向移动，使测量光束由平面反射镜反射后聚焦到被测透镜表面附近。在该位置附近扫描平面反射镜，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的焦点与被测透镜表面相重合，进而精确确定被测透镜表面顶点位置，记录此时平面反射镜的位置Z2 ;(e)根据上述两次定焦得到的平面反射镜位置Zl、Z2之间的距离d，即可测得被测透镜的顶焦距I/ =2d。本发明所述的反射式共焦透镜焦距测量方法，还可以用来测量被测透镜焦距根据被测透镜前表面曲率半径^、后表面曲率半径r2、折射率η和厚度b，可间接测得被测透镜的焦距
权利要求
1.反射式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和被测透镜后照射在平面反射镜上， 由平面反射镜的表面反射，反射回来的光经被测透镜和准直透镜后由分光镜反射进入共焦测量系统；(b)调整被测透镜，使其与准直透镜共光轴；准直透镜将点光源产生的光准直成平行光；平行光照射在被测透镜上，由被测透镜会聚形成测量光束照射在平面反射镜上；调整平面反射镜，使其与准直透镜共光轴；(C)沿光轴方向移动平面反射镜，使测量光束的聚焦焦点与平面反射镜表面接近；在该位置附近扫描平面反射镜，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的焦点与平面反射镜的表面相重合，进而精确确定被测透镜的焦点位置，记录此时平面反射镜的位置Z1 ；(d)将平面反射镜沿光轴向被测透镜方向移动，使测量光束由平面反射镜反射后聚焦到被测透镜表面附近；在该位置附近扫描平面反射镜，由共焦测量系统测得共焦响应曲线， 通过共焦响应曲线的最大值点来确定测量光束的焦点与被测透镜表面相重合，进而精确确定被测透镜表面顶点位置，记录此时平面反射镜的位置Z2 ;(e)根据上述两次定焦得到的平面反射镜位置Zl、Z2之间的距离d，即可测得被测透镜的顶焦距V = 2d。
2.根据权利要求I所述的反射式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于根据被测透镜前表面曲率半径F1、后表面曲率半径r2、折射率n和厚度b，可间接测得被测透镜的焦距W(r2_ri)"KW_l)办
3.根据权利要求I或2所述的反射式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于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，降低定焦时波相差对测量光束的影响， 提闻定焦精度。
4.根据权利要求I或2所述的反射式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。
5.根据权利要求I或2所述的反射式共焦透镜焦距测量方法，其特征在于对点光源发出的光进行光强调制，由共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦响应信号，将该调制信号解调后得到共焦响应曲线，从而提高系统的定焦灵敏度。
全文摘要
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种反射式共焦透镜焦距测量方法。该方法通过共焦测量方法配合平面反射镜精确定位透镜表面顶点和焦点位置，进而测得透镜顶焦距及焦距。本发明首次提出通过共焦响应曲线最大值点对应被测透镜焦点和表面顶点特性实现精确定焦，将共焦测量技术扩展到透镜焦距测量领域，具有测量精度高、光路简单、抗环境干扰能力强等优点，可用于透镜焦距的高精度检测。
文档编号G01M11/02GK102589851SQ201210011839
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者李志刚, 李雅灿, 杨佳苗, 赵维谦, 邱丽荣 申请人:北京理工大学