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原文传递双边错位差动共焦透镜折射率测量方法

专利名称：	双边错位差动共焦透镜折射率测量方法
摘要：	本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种双边错位差动共焦透镜折射率测量方法。该方法在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域并将其探测的两条共焦特性曲线通过相减处理来锐化共焦特性曲线，其次将锐化共焦特性曲线进行双边错位差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，然后利用该双边错位差动共焦特性曲线零点与共焦测量系统焦点精确对应这一特性对被测透镜顶点位置进行高精度定焦寻位，最后通过光线追迹补偿计算来精确得到透镜折射率，实现透镜折射率的高精度测量。该方法与已有的透镜折射率测量方法相比，具有测量精度高、抗环境干扰能力强和结构简单等优势，在光学精密测量技术领域具有广泛的应用前景。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京理工大学
发明人：	赵维谦;邱丽荣
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-19T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-09T00:00:00+0800
申请号：	CN201910318298.3
公开号：	CN109991191A
代理机构：	北京理工正阳知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	邬晓楠
分类号：	G01N21/41(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100081 北京市海淀区中关村南大街5号
主权项：	1.双边错位差动共焦透镜中心厚度测量方法，其特征在于：包括以下步骤， a)打开点光源(1)，调整被测透镜(6)使其与测量物镜(4)和准直透镜(3)共光轴，点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(3)和测量物镜(4)后汇聚成测量光束(5)照射在被测透镜(6)上，被测透镜(6)顶点反射的测量光束(5)再经测量物镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射进入到横向相减共焦探测系统(7)，形成的测量艾里斑(10)被CCD探测器(9)探测； b)沿光轴方向移动被测透镜(6)使测量光束(5)的焦点与被测透镜(6)的顶点A位置重合；在所述透镜顶点A位置附近相对轴向扫描测量物镜(4)或被测透镜(6)，将横向相减共焦探测系统(7)中大虚拟针孔探测域(11)探测到的大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)IB(z)和小虚拟针孔探测域(12)探测到的小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)IS(z)进行相减处理，得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(15)I(z)＝IS(z)-γIB(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子； c)将锐化共焦特性曲线(15)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(16)，并使锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线(17)ID(z)＝I(z)-I(z,-S)，利用差动共焦线性拟合直线(18)对错位相减差动共焦特性曲线(17)的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦线性拟合直线(18)S/2位置的回移差动共焦拟合直线(20)的移位拟合直线零点(21)来精确确定测量光束(5)焦点与被测透镜(6)的顶点A重合的位置，进而得到被测透镜(6)顶点A的位置Z1； d)继续沿光轴方向移动测量物镜(4)或被测透镜(6)，使测量光束(5)的焦点与被测透镜(6)的后表面顶点B重合；在所述透镜顶点B位置附近轴向扫描测量物镜(4)或被测透镜(6)，由横向相减共焦探测系统(7)通过处理测得的测量艾里斑(10)得到锐化共焦特性曲线(15)后再进行双边错位相减处理，得到与测量物镜(4)焦点附近对应的第二错位相减差动共焦特性曲线(22)，主控计算机(24)按着步骤c)通过对第二错位相减差动共焦特性曲线(22)进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点精确确定被测透镜(6)的后表面顶点B位置，记录此时被测透镜(6)后表面顶点B的位置Z2； e)根据建立的光线追迹补偿模型，得到被测透镜(6)折射率n满足以下公式：代入已知参数：测量光束的数值孔径角α1、被测透镜的前表面曲率半径r1和中心厚度t、空气折射率nair和两次定焦位置之间的距离d1＝\|Z2-Z1\|，即得出被测透镜(6)的折射率n。 2.根据权利要求1所述的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：将激光差动共焦技术与光线追迹技术有机融合，建立光线追迹及其补偿模型，消除各层析定焦表面参数间的相互影响，进而得出被测透镜(6)折射率的计算公式；如公式(2)所示，rN为第N个表面SN的曲率半径，nN为第N个表面SN与第N+1个表面SN+1之间的材料折射率，dN-1为第N-1个表面SN-1与第N个表面SN之间的轴向间隙，lN′为SN顶点到SN出射线与光轴交点的距离，uN′为SN出射光线与光轴的夹角：根据以上公式推导得出透镜折射率计算的公式(1)，进一步实现透镜折射率精确测量。 3.根据权利要求1所述的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：通过横向相减共焦探测系统(7)得到锐化共焦特性曲线(15)的方法如下：步骤一、在被测透镜(6)扫描过程中，通过CCD探测器(9)探测测量艾里斑(10)，以测量艾里斑(10)的重心为中心，在CCD探测器(9)每帧探测图像上选定预设大小的大虚拟针孔探测域(11)，将大虚拟针孔探测域(11)中每个像素上的强度进行积分，得出大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)；步骤二、同时以CCD探测器(9)探测的测量艾里斑(10)重心为中心，选择另一个小虚拟针孔探测域(12)，所述小虚拟针孔探测域(12)尺寸小于所述大虚拟针孔探测域(11)，积分小虚拟针孔探测域(12)的强度得到小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)，小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)的半高宽和峰值强度均低于大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)；步骤三、将大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)乘以调节因子γ，使得大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)光强是小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)的1/2倍；步骤四、将小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)减去乘以调节因子γ后的大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)，得到锐化共焦特性曲线(15)。 4.根据权利要求1所述的双边错位差动共焦透镜折射率测量方法，其特征在于：在光路中增加环形光瞳(31)对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波像差对测量光束的影响，减少测量误差。
所属类别：	发明专利