光学透镜中心厚度的非接触式测量装置和测量方法与流程

本发明涉及光学检测，具体涉及一种光学透镜中心厚度的非接触式测量装置和测量方法。

背景技术：

透镜是光学系统中最基本的光学元件，透镜中心厚度的偏差直接影响了光学系统的性能。因此，在高端光学系统中必须实现对透镜中心厚度的高精度测量。

在先技术“共焦透镜中心厚度测量方法与装置”(中国发明专利CN101788271A)公开了一种基于共焦透镜中心厚度的测量方法与装置。该方法基于共焦定焦原理并利用共焦测头分别确定透镜前表面和后表面的顶点位置，最后采用光线追迹公式计算透镜的中心厚度。该发明提出的测量方法在计算透镜的中心厚度时需要知道各个透镜的面形条件，并且计算公式复杂，测量误差大。

在先技术“高精度光学间隔测量装置和测量方法”(中国发明专利CN104215176A)公开了一种基于低相干干涉的光学间隔测量装置和方法。图3是该在先技术的系统框图，该方法采用时域光学相干层析技术，系统包括低相干测量光路和激光测长光路；宽带光源发出的低相干光经过耦合器分成信号探测光和参考光，信号探测光经可调焦透镜聚焦在待测样品内部，信号光在待测透镜的各个表面产生反射，反射信号光返回到光纤耦合器中；参考光经扫描反射镜反射后进入光纤耦合器中与反射信号光叠加产生干涉信号；待测透镜不同表面的反射信号光具有不同的光程，且参考反射光的光程随着扫描导轨位置的移动而改变，当参考反射光与待测透镜某一表面的反射光的光程差为零时产生干涉极大值信号，且干涉信号会随着光程差的增大迅速减小。激光测长光源发出的光经光纤耦合器分成两束光，一束进入光纤后向反射器反射回到光纤耦合器与另一束经扫描反射镜反射后进入光纤耦合器中的光产生干涉测长信号；扫描反射镜匀速运动，低相干测量光路和激光测长光路同时产生干涉信号，其位置移动信息通过激光测长光束分别在参考镜光路和扫描反射镜的反射光束所产生的干涉信号测量得到。利用程序定位低相干测量信号中待测透镜各个表面顶点对应的干涉峰值位置，并确定干涉峰值点对应激光测长干涉信号的位置，利用五步相移法计算激光测长干涉信号在该峰值点位置处的相位值

其中I_i1,I_i2,I_i3,I_i4,I_i5是通过光电探测器测得以第i干涉峰值对应的激光测长干涉信号采样点位置为中心的连续五个激光测长干涉信号采样点的强度值，则相邻两个表面间的物理厚度D为：

式中，λ₁为低相干光波长，λ₂为测长激光波长，n_g,air(λ₁,t,p,f)为空气在光波长λ₁下的群折射率，n_g(λ₁,t,p,f)为所测材料在光波长λ₁下的群折射率，n_air(λ₂,t,p,f)为空气在光波长λ₂下的折射率。其中折射率由Edlen公式计算：

n₁₅-1＝[8342.13+2406030(130-σ²)^-1+15997(38.9-σ²)^-1]·10^-8

n_air(λ,t,p,f)＝n_air(λ,t,p)-f(5.7224-0.0457σ²)×10^-8

式中，(n₁₅-1)为在一个标准大气压、15℃下空气中的折射率，σ为真空中的波数即波长λ的倒数，(n_air(λ,t,p)-1)为标准空气中受到温度和气压影响的折射率，n_air(λ,t,p,f)为标准空气在波长λ下受到气温t、气压p以及水汽f影响的折射率。

该方法可同时对多组透镜进行中心厚度测量，其测量精度可达到亚微米，能满足高精度光学系统的要求，但是该方法必须知道待测透镜的材料折射率，不能对未知材料折射率光学元件的中心厚度进行测量。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述技术的不足，提出一种光学透镜中心厚度的非接触式测量装置和测量方法，可对未知材料折射率的透镜中心厚度进行精确测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种光学透镜中心厚度非接触式测量装置，其特征在于其构成包括低相干光干涉测量系统、主控计算机、图像传感器、准直器、分光镜、第一透镜、第二透镜、圆柱体自定心夹持架、二维水平调节台、二维连体平移台、第一平面镜、第二平面镜、第一二维调整架、第二二维调整架、安装架和支撑面板。

上述部件的位置关系如下：

所述的准直器位于分光镜的右侧，沿该分光镜的轴向从上到下依次是图像传感器、第二透镜、分光镜、第一透镜、第一平面镜、圆柱体自定心夹持架、二维水平调节台、二维连体平移台、支撑面板和第二平面镜，其中第一平面镜和第二平面镜分别安置在第一二维调整架和第二二维调整架上，所述的第一二维调整架、支撑面板和第二二维调整架从上到下安装在安装架上；所述的低相干光干涉测量系统位于所述的准直器的右侧，通过光纤与准直器连接；所述的主控制计算机分别通过数据线与所述的低相干光干涉测量系统和图像传感器相连接。

所述光学透镜中心厚度非接触式测量方法，其特点在于其构成包括第一平面镜和第二平面镜组成固定腔长的测量腔和待测透镜，测量腔的腔长为沿光轴方向所述的第一平面镜的后镜面与第二平面镜的前镜面之间的空气间隔。已知空气在测量波长下的折射率可通过Edlen公式求得，则可以计算出沿光轴方向第一平面镜的后镜面与待测透镜前镜面顶点之间的空气间隔和待测透镜后镜面顶点与第二平面镜的前镜面之间的空气间隔。由几何关系可以得出待测透镜中心厚度等于测量腔的腔长减去待测透镜前后镜面顶点与其相邻的测量腔内部镜面的空气间隔。

所述低相干光干涉测量系统参见先技术“高精度光学间隔测量装置和测量方法”(中国发明专利CN104215176A)。

所述的主控制计算机通过数据线控制低相干光干涉测量系统和图像传感器，并进行透镜中心厚度的计算。

所述的图像传感器主要用于显示系统光轴的光斑位置和待测透镜的两个镜面顶点的反射光光斑，并根据待测透镜两个镜面顶点的反射光光斑位置与系统光轴光斑位置的偏差实现待测透镜中心偏的调节判断。

所述的准直器通过光纤与所述的低相干光干涉测量系统相连，将低相干光干涉测量系统的输出光进行准直，输出平行光并入射到分光镜。

所述的分光镜主要是将入射光折返至第一透镜，并将第一平面镜、第二平面镜和待测透镜的镜面反射光反射至准直镜和透射至第二透镜。

所述的第一透镜将经过分光镜的入射光聚焦到待测透镜内部，并将经过第一平面镜、第二平面镜和待测透镜前后镜面的反射光准直后入射到分光镜上。

所述的第二透镜将经过分光镜的透镜镜面反射光束聚焦到图像传感器上。

所述的第一平面镜和第二平面镜分别安装在第一二维调整架和第二二维调整架上。

所述的第一二维调整架和第二二维调整架分别安装在安装架的上端和下端；所述的第一二维调整架和第二二维调整架可实现垂直于光轴方向的水平调节，用于调节第一平面镜和第二平面镜与系统的共轴。

所述的支撑面板尺寸为中孔型面板，所述支撑面板固定在安装架中下部，用于支撑所述的二维水平调节台、二维连体平移台和圆柱体自定心夹持架。

所述的二维连体平移台为中孔型，平台移动方向为垂直于光轴的x-y向；所述二维连体平移台安置在所述的支撑面板上。

所述二维水平调节台为中孔型，能实现垂直光轴的水平调节；所述的二维水平调节台放置在所述的二维连体平移台上。

所述的圆柱体自定心夹持架用于夹持待测透镜；所述圆柱体自定心夹持架放在在所述二维水平调节台上。

本发明光学透镜中心厚度测量方法，包括以下几个步骤：

步骤一、打开主控制计算机和图像传感器，打开低相干光干涉测量系统中的准直光源，调整系统中第一透镜、第二透镜、第一平面镜和第二平面镜的共轴；

步骤二、将待测透镜放置在圆柱体自定心夹持架上，并根据图像传感器上待测透镜前后镜面顶点的反射信号光的光斑位置与系统光轴的光斑位置的偏差，调整所述的二维连体平移台和二维水平调节台，使所述的待测透镜的光轴与所述的系统光轴重合，关闭所述的低相干光干涉测量系统中的准直光源；

步骤三、利用温度计测量环境温度t，利用气压计测量环境大气压p，利用湿度计测量环境湿度f；按下列Edlen公式计算空气在光波长λ下的折射率n_air(λ,t,p,f)；

n₁₅-1＝[8342.13+2406030(130-σ²)^-1+15997(38.9-σ²)^-1]·10^-8

n_air(λ,t,p,f)＝n_air(λ,t,p)-f(5.7224-0.0457σ²)×10^-8

式中，(n₁₅-1)为在一个标准大气压、15℃下空气中的折射率，σ为真空中的波数即波长λ的倒数，(n_air(λ,t,p)-1)为标准空气中受到温度和气压影响的折射率，n_air(λ,t,p,f)为标准空气在波长λ下受到气温t、气压p以及水汽f影响的折射率。

步骤四、测量过程a：打开低相干光干涉测量系统中的低相干干涉光源和激光测长光源；所述的低相干光干涉测量系统的扫描导轨带动可移动反射镜进行匀速扫描，同步得到沿光轴方向上测量腔和待测透镜的低相干干涉信号和周期性变化的激光测长干涉信号，其中低相干干涉信号采样点与激光测长干涉信号采样点一一对应，并通过所述的低相干光干涉测量系统中的第二光电探测器和第一光电探测器分别接收低相干干涉信号和周期性变化的激光测长干涉信号强度值I并转换成电信号并传输给主控制计算机。

步骤五、利用计算程序定位低相干干涉信号中沿光轴方向上测量腔的第一平面镜后镜面(i＝1)、待测透镜前镜面顶点(i＝2)、待测透镜后镜面顶点(i＝3)和第二平面镜的前镜面(i＝4)对应的干涉信号的峰值位置，并确定干涉峰值对应到激光测长干涉信号相同采样点位置，I_i1,I_i2,I_i3,I_i4,I_i5是以第i干涉峰值对应的激光测长干涉信号采样点位置为中心的连续五个激光测长干涉信号采样点的强度值，按下列公式计算出激光测长干涉信号在该采样点的相位值

其中，分别求得沿光轴方向上所述第一平面镜后镜面、待测透镜前镜面顶点、待测透镜后镜面顶点和第二平面镜的前镜面对应激光测长干涉信号采样点的相位值则沿光轴方向上所述第一平面镜(11)后镜面与待测透镜(17)前镜面顶点间的空气间隙的物理厚度D_air1为：

式中，λ₁为低相干光波长，λ₂为测长激光波长，n_g,air(λ₁,t,p,f)为空气在光波长λ₁下的群折射率，n_g(λ₁,t,p,f)为所测材料在光波长λ₁下的群折射率，n_air(λ₂,t,p,f)为空气在光波长λ₂下的折射率，光波长λ₁在空气间隔D_air1和D_air2中的群折射率n_g(λ₁,t,p,f)等于n_g,air(λ₁,t,p,f)，简化得：

按下列公式可求得沿光轴方向上的待测透镜后镜面顶点与第二平面镜前镜面间的空气间隙的物理厚度D_air2为：

步骤六、测量过程b：取下待测透镜，利用低相干光干涉测量系统再次进行测量；求得沿光轴方向上测量腔的第一平面镜后镜面和第二平面镜前镜面对应激光测长干涉信号采样点的相位值按下列公式计算沿光轴方向上第一平面镜后镜面与第二平面镜前镜面间的空气间隙的物理厚度即腔长D_cav：

步骤七、计算待测透镜的中心厚度D_len：

D_len＝D_cav-D_air1-D_air2

与先技术相比，本发明具有下列技术优点：

1)本发明根据低相干光干涉测量光学中心距的原理，利用两个平面镜组成的腔式结构，可实现对未知材料折射率的透镜中心厚度进行非接触式的精确测量。

2)本发明采用反射式中心偏调节方法，可实现透镜光轴与测量系统光轴的快速共轴调节，以便进行待测透镜中心厚度测量。

附图说明

图1是本发明光学透镜中心厚度非接触式测量装置的结构示意图

图2是本发明腔式测量方法的原理图

图3是所述的低相干光干涉测量系统的结构示意图

图4是圆柱体自定心夹持架的示意图

图1中，1-低相干光干涉测量系统、2-主控制计算机、3-图像传感器、4-准直器、5-第一透镜、6-第二透镜、7-分光镜、8-圆柱体自定心夹持架、9-二维水平调节台、10-二维连体平移台、11-第一平面镜、12-第二平面镜、13-第一二维调整架、14-第二二维调整架、15-安装架、16-支撑面板、17-待测透镜；

D_cav-腔长、D_air1-空气间隔、D_air2-空气间隔，D_len-待测透镜厚度；

101-激光测长光源，102-第一光电探测器，103-光纤耦合器a，104-后向反射镜，105-波分复用器，106-准直器，107-扫描导轨，108-反射镜，109-低相干干涉光源，110-光纤分束器，111–第一光纤环形器，112-第二光纤环形器，113-光纤耦合器b，114-准直光源，115-光开关，116-第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是本发明光学透镜中心厚度非接触式测量装置结构示意图，由图可见，本发明光学透镜中心厚度非接触式测量装置，构成包括低相干光干涉测量系统1、主控制计算机2、图像传感器3、准直器4、第一透镜5、第二透镜6、分光镜7、圆柱体自定心夹持架8、二维水平调节台9、二维连体平移台10、第一平面镜11、第二平面镜12、第一二维调整架13、第二二维调整架14、安装架15和支撑面板16，上述部件的位置关系如下：

所述的准直器4位于所述的分光镜7的右侧，沿该分光镜7的轴向从上到下依次是图像传感器3、第二透镜6、分光镜7、第一透镜5、第一平面镜11、圆柱体自定心夹持架8、二维水平调节台9、二维连体平移台10、支撑面板16和第二平面镜12，所述的第一平面镜11和第二平面镜12分别安置在所述的第一二维调整架13和第二二维调整架14上，所述的第一二维调整架13、支撑面板16和第二二维调整架14从上到下安装在安装架15上；所述的低相干光干涉测量系统1通过光纤与所述的准直器连接；所述的计算机2分别通过数据线与所述的低相干光干涉测量系统1和图像传感器3相连接。

本发明的基本原理是利用第一平面镜和第二平面镜组成固定腔长的测量腔，用测量腔的腔长减去腔内放入待测透镜后待测透镜前后的两个空气间隔的长度，便可以得出待测透镜的中心厚度。

本发明利用反射式中心偏调节方法进行系统共轴的高效调节，实现了待测透镜光轴与系统光轴的共轴，然后再利用该方法实现对未知折射率材料透镜中心厚度的高精度测量。

本发明光学透镜中心厚度的测量步骤包括下列步骤：

1)打开计算机2和图像传感器3，打开低相干光干涉测量系统1中的准直光源114，调整第一透镜5、第二透镜6、第一平面镜11和第二平面镜12的共轴；

2)将待测透镜17放置在圆柱体自定心夹持架8上，并根据图像传感器3上待测透镜17前后镜面顶点的反射信号光光斑位置与系统光轴光斑位置的偏差，调整所述的二维连体平移台10和二维水平调节台9，使待测透镜17的光轴与所述的系统光轴重合，关闭所述的低相干光干涉测量系统1中的准直光源114；

3)利用温度计测量环境温度t＝21.2℃，利用气压计测量环境大气压p＝760mmHg，利用湿度计测量环境相对湿度f＝75％RH；按下列Edlen公式计算空气在光波长λ₂＝1550nm下该环境中的折射率n_air(λ₂,t,p,f)；

n₁₅-1＝[8342.13+2406030(130-σ²)^-1+15997(38.9-σ²)^-1]·10^-8

n_air(λ,t,p,f)＝n_air(λ,t,p)-f(5.7224-0.0457σ²)×10^-8

式中，(n₁₅-1)为在一个标准大气压、15℃下空气中的折射率，σ为真空中的波数即波长λ的倒数，(n_air(λ,t,p)-1)为标准空气中受到温度和气压影响的折射率，n_air(λ,t,p,f)为标准空气在波长λ下受到气温t、气压p以及水汽f影响的折射率。计算得空气在波长λ₂在此环境下的折射率：

n_air(λ₂,t,p,f)＝1.000266。

4)测量过程a：打开低相干光干涉测量系统1中的低相干干涉光源109和激光测长光源101；所述的低相干光干涉测量系统1的扫描导轨107带动可移动反射镜108进行匀速扫描，同步得到沿光轴方向上测量腔和待测透镜17的低相干干涉信号和周期性变化的激光测长干涉信号，其中低相干干涉信号采样点与激光测长干涉信号采样点一一对应，并通过所述的低相干光干涉测量系统1中的第二光电探测器116和第一光电探测器102分别接收低相干干涉信号和周期性变化的激光测长干涉信号强度值I并转换成电信号并传输给主控制计算机2。

5)利用计算程序定位低相干干涉信号中沿光轴方向上测量腔的第一平面镜11后镜面(i＝1)、待测透镜17前镜面顶点(i＝2)、待测透镜17后镜面顶点(i＝3)和第二平面镜12的前镜面(i＝4)对应的干涉信号的峰值位置，并确定干涉峰值对应到激光测长干涉信号相同采样点位置，I_i1,I_i2,I_i3,I_i4,I_i5是以第i干涉峰值对应的激光测长干涉信号采样点位置为中心的连续五个激光测长干涉信号采样点的强度值，按下列公式计算出激光测长干涉信号在该采样点的相位值

分别求得沿光轴方向上第一平面镜11后镜面、待测透镜17前镜面顶点、待测透镜17后镜面顶点和第二平面镜12的前镜面对应激光测长信号采样点的相位值则沿光轴方向上所述第一平面镜(11)后镜面与待测透镜(17)前镜面顶点间的空气间隙的物理厚度D_air1为：

按下列公式可求得沿光轴方向上待测透镜(17)后镜面顶点与第二平面镜(12)前镜面间的空气间隙的物理厚度D_air2：

式中，λ₂为测长激光波长(λ₂＝1550nm)，n_air(λ₂,t,p,f)为标准空气在波长λ₂下受到气温t＝21.2℃、气压p＝760mmHg以及水汽f＝75％RH影响的折射率(n_air(λ₂,t,p,f)＝1.000266)。计算得：

D_air1＝20.461828mm

D_air2＝12.953399mm

6)测量过程b：取下待测透镜17，利用低相干光干涉测量系统1再次进行测量；求得沿光轴方向上测量腔的第一平面镜11后镜面和第二平面镜12前镜面对应激光测长干涉信号采样点的相位值按下列公式可求得沿光轴方向上第一平面镜11后镜面与第二平面镜12前镜面间的空气间隙的物理厚度即腔长D_cav：

式中，λ₂为测长激光波长(λ₂＝1550nm)，n_air(λ₂,t,p,f)为标准空气在波长λ₂下受到气温t＝21.2℃、气压p＝760mmHg以及水汽f＝75％RH影响的折射率(n_air(λ₂,t,p,f)＝1.000266)计算得：

D_cav＝46.143175mm

7)待测透镜17的中心厚度D_len：

D_len＝D_cav-D_air1-D_air2

＝(46.143175-20.461828-12.953399)mm

＝12.727948mm。

实验表明，本发明能实现对未知折射率材料透镜中心厚度的高精度测量。