一种基于实验光线追迹原理的透镜焦距测量技术与装置的制作方法

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于实验光线追迹原理的透镜焦距测量技术与装置，可以在光纤点衍射干涉的基础上，实现实验室条件下光线追迹，利用该技术实现透镜焦距的无损、快速、精确测量。

背景技术：

光学测量中常用到光线追迹，通常光线追迹是由算法来完成，现在市面上很多光线追迹相关的软件，如zemax，codev等，都能实现光学系统设计阶段的光线追迹。光线追迹是处理光学系统成像问题最直接有效的方法，其原理在于利用折射定理、反射定理等光学原理，追迹具有代表性的光线以获得光学系统的参数信息。传统的光线追迹技术有hartmann检测法、激光光线追迹法等，这些方法使用细光束的追迹来近似理想的光线追迹，距离几何光学中抽象的无限细的光线很远。为了尽可能模拟理想的单根光线追迹，发明新的光学参数测量技术和装置，研究实现实验室条件下的近似理想的光线追迹方法是十分必要的。

焦距测量的准确与否将直接影响到后续的使用过程及功能实现。由于焦点为空间无实体的点，焦距无法通过直接测量精确给出，通常用与焦距相关的物象基本关系式，由测量相关量而求得。用来测量焦距的方法有很多，如用精密测角法、附加接筒法、放大率法、共轭法等测量焦距的方法。在这些传统的焦距测量技术中，通过人眼来判断成像清晰度。由于存在个体差异，容易引入主观误差。此外，由于存在对镜片几何参数的依赖性，不适合快速，精确测量。本文提出的基于光纤点衍射干涉光线追迹技术，通过光线追迹可以实现透镜焦距测量，整个测量系统结构简单、操作方便、灵敏度高。

技术实现要素：

本发明的目的是：为了实现一种接近理想的实验光线追迹技术，并将之应用于光学参数测量，我们发明了一种基于实验光线追迹原理的透镜焦距测量技术与装置。

本发明提出的基于光纤点衍射干涉的实验光线追迹方法是目前为止最接近理想的单根光线追迹方法。通过两个点光源确定一根空间光线，该光线与两个间隔一定距离的平行成像面相交，通过成像面中干涉图的光程极值位置找到光线与成像面的交点，连接两个交点就能重构空间光线的轨迹。其中，代表空间光线的两个点光源既可以是实际发光的物点，也可以是通过光学系统后的像点。若点光源是物点，该方法追迹的是入射光线，若点光源是通过光学系统后的像点，则该方法追迹的是出射光线。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明

首先介绍一下实验光线追迹原理，如图一所示，pa，pb为xyz空间坐标系中任意两点光源，则点光源pa与pb的连线确定了一根空间光线。设pa，pb的坐标分别为(0,0,ra)、(xb,yb,rb)，那么从点光源pa和pb衍射出的球面波会在出瞳面上发生干涉。i和i′是出瞳面xoy、x′o′y′的光程差极大值点，d是i和i′到光轴(z轴)的距离差，可以从xoy、x′o′y′面的干涉图中获取其位置信息。若已知两出瞳面xoy、x′o′y′的轴向间距l，就可以重构该条光线，获得光线papb与光轴的入射角u。

u＝tan^-1(d/l)(1)

同理，可重构该出光线通过待测透镜后的出射方向(即确定光线出射角u′)。

用无镜头ccd摄像机的光敏面作为图1中的出瞳面，实现实验光线追迹的装置如图二所示：激光器1出射的激光通过一分二的光纤分束器2分别耦合到光纤3和光纤4中。光纤3出射的球面波与光纤4出射的球面波发生干涉，通过薄膜分光镜5以后与光轴重合，干涉波面通过薄膜分光镜6分别被无镜头ccd摄像机7和无镜头ccd摄像机8采集；调节光纤3的端面使其与光纤4的端面关于薄膜分光镜5离焦，此时无镜头ccd摄像机7,8上的干涉条纹为同心圆环，调节无镜头ccd摄像机7、8，使圆环干涉图的圆心位于ccd摄像机的中心，此时干涉条纹处于初始离焦状态，ccd摄相机7,8采集同心圆环状的干涉条纹分别如图三(a)、(b)所示。若追迹一条不平行于光轴的光线(如图一)，ccd摄相机7,8采集的干涉条纹分别如图三(c)、(d)所示，其中看起来更密的条纹来自于离薄膜分光镜更远的摄像机。图二中光纤3有一段缠绕在压电陶瓷管9上，压电陶瓷管9的径向伸缩会拉伸光纤3从而引入移相，其径向伸缩由计算机10控制的驱动电源驱动。

图一中i和i′就是干涉图中的相位极值点。如图四，无镜头ccd摄像机7,8的光敏面建立了一个网格分布的出瞳面，其中心与z轴重合，坐标皆为(0,0)。若我们从干涉图的相位分布中分别获取i和i′的坐标，设为(x1,y1)、(x2,y2)，则ccd摄像机7,8上干涉图的光程极值位置i和i′到光轴z的距离差d可表示为：

d＝((x2-x1)²+(y2-y1)²)^1/2(2)

然后，介绍一下基于实验光线追迹原理的透镜焦距测量原理。如图五，由点光源pa，pb确定的一根光线平行于光轴(z轴)入射透镜，只要测得出射光线与z轴的夹角u′，若已知入射光线pa，pb的离轴量h，就可以从下式确定透镜的焦距f。

根据图五中的几何关系得，

由公式(4)知，在确定的离轴量h的情况下，只要测出光线在出瞳面的径向位移d就可以得到焦距f，由于h、d呈线性关系，为了测得更精确的焦距f，我们进行以下处理

f＝k*l(5)

其中，

给定被测透镜一系列的离轴位移量h并采集干涉图并送入计算机处理，计算出对应的相位极值点到光轴z的距离差d，由多组d-h数据拟合直线的斜率确定系数k，根据公式(5)、(6)计算出被测透镜的焦距f。

利用实验光线追迹模型进行光线追迹及焦距测量的前提是两出瞳面间距l已知，这可以通过事先标定实现。采用ccd摄像机的光敏面代替出瞳面，我们在之前的专利(zl201210552991.5)中已经提出了标定点光源到ccd传感器平面之间的距离的方法。利用该方法，只要分别标定出任一点光源pa(或pb)到两个ccd传感器之间的距离，就可以求出两个ccd传感器之间的距离l。在本发明中，我们采用以下方式来整体标定两相机的间距l：

如图六，把已知焦距f的标准透镜置于薄膜分光镜5,6之间，调节标准透镜使ccd摄像机7,8上的干涉图中心与相机中心重合并采集干涉图，给定标准透镜一确定的离轴位移量h并采集干涉图，求出ccd摄像机7,8上干涉图极值位置到光轴的距离差d，根据公式(7)计算出两相机间距l：

在标定得到两相机间距l的基础上，把被测透镜12置于薄膜分光镜5,6之间，调节被测透镜12，使干涉条纹中心与ccd相机中心重合并采集干涉图，用千分表11检测透镜的一系列离轴位移量h，分别测出两成像面中相位极值点到光轴的距离差d，拟合d-h直线得到系数k，利用公式(5)、(6)，计算出被测透镜的焦距f。

有益效果

本发明相对国内外现有技术具有以下显著优点：

1、本发明提出的基于光纤点衍射干涉的实验光线追迹装置结构简单，可以实现对单根光线的精确追迹。

2、本发明提出的基于实验光线追迹原理的透镜焦距测量装置，通过计算机直接对干涉图像进行分析处理，实现了透镜焦距的无损、快速高精度测量。

附图说明

图1为实验光线追迹模型原理图。

图2为实验光线追迹装置示意图。

图3为两相机采集的干涉图(示例)。

图4为两ccd摄像机上干涉图极值位置到光轴的距离差计算示意图。

图5为基于实验光线追迹原理的透镜焦距测量原理图。

图6为实验光线追迹原理的透镜焦距测量装置示意图

图7为1号待测透镜的d-h数据拟合直线及拟合系数k(示例)

图8为2号待测透镜的d-h数据拟合直线及拟合系数k(示例)

其中，1-激光器；2-一分二光纤分束器；3-光纤；4-光纤；5-薄膜分光镜；6-薄膜分光镜；7-无镜头ccd摄像机；8-无镜头ccd摄像机；9-压电陶瓷管；10-计算机；11-千分表；12-标准焦距透镜/被测透镜。

具体实施方式

本发明的具体实施方案如下：

一种基于光纤点衍射光线追迹技术的焦距测量装置，包括激光器、一分二光纤分束器、薄膜分光镜、光纤、ccd、计算机、压电陶瓷管、千分表、被测透镜/标准透镜。采用上述装置进行测量的过程如下：

第一步，部署一套如图2所示的测量装置，包括：激光器1；一分二光纤分束器2；光纤3；光纤4；薄膜分光镜5；薄膜分光镜6；无镜头ccd摄像机7；无镜头ccd摄像机8；压电陶瓷管9；计算机10，千分表11；标准透镜/待测透镜12；

第二步：获得初始状态的干涉条纹信息，方法如下：如图二所示，从激光器1出射的激光通过一分二光纤分束器2分别耦合到光纤3和光纤4中；光纤3有一段缠绕在可径向伸缩的压电陶瓷管9上从而引入移相，从光纤3端面衍射的球面波透过薄膜分光镜5，与从光纤4端面衍射并被薄膜分光镜5反射的球面波发生干涉；干涉波面通过薄膜分光镜6分别被无镜头ccd摄像机7和无镜头ccd摄像机8采集；调节光纤3的端面使其与光纤4的端面关于薄膜分光镜5离焦，此时无镜头ccd摄像机上的干涉条纹为同心圆环，调节无镜头ccd摄像机7、8，使同心圆环圆心位于ccd摄像机的中心，使用计算机10采集和处理移相干涉图，找到每个ccd摄像机上干涉条纹的中心位置(即光敏面上的初始零位)；以下步骤都是在此装置固定的情况下进行的。

第三步：标定两相机距离l。如图6，把已知焦距f的标准透镜12置于薄膜分光镜5,6之间，调节标准透镜使干涉条纹中心与相机中心重合并采集干涉图，给标准透镜12施加一定的离轴量h(用千分表11检测)，再采集干涉图，求出ccd摄像机7,8上干涉图极值位置到光轴的距离差d，根据公式(7)计算出两相机间距l。

第四步：通过光线追迹测量待测透镜的焦距如图6示。在完成以上步骤的基础上，取下标准焦距透镜，把被测透镜12置于薄膜分光镜5,6之间，调节被测透镜12，使ccd摄像机7,8上的干涉条纹中心与相机中心重合并采集干涉图。给待测透镜施加一系列离轴位移量h(用千分表11检测)，分别测出两成像面中相位极值位置到光轴的距离差d，拟合d-h直线得到系数k，利用公式(5)、(6)，计算出待测透镜焦距f。

实施实例：下面结合实例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。该实际测量装置中ccd摄像机的像元间距为6.45μm，像元分辨率为1024×1024。

第一步，第二步同上述步骤。

第三步：标定两相机距离。取标称值为f＝-199.740mm标准透镜置于薄膜分光镜5,6之间，调节标准透镜使干涉条纹中心与相机中心重合并采集干涉图，给定透镜一定的离轴位移量h＝0.30mm，采集两个相机的干涉图送入计算机处理，测得d＝0.1238mm，根据公式(7)计算出两相机间距l＝82.426mm；

第四步：通过光线追迹测量透镜焦距如图六所示。在完成以上步骤的基础上，把待测透镜(编号1的透镜标称焦距f1＝-199.74mm，编号2的透镜标称焦距f2＝499.12mm)样品置于薄膜分光镜5,6之间，调节被测透镜，使干涉条纹中心与相机中心重合并采集干涉图，给定被测透镜一系列离轴位移量h，分别测出两ccd成像面中相位极值位置到光轴的距离差d，拟合d-h直线得到系数k，如图7、图8，利用公式(5)、(6)，计算出被测透镜焦距。计算结果如下表。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。