[發明專利]后置分光瞳激光差動共焦焦距測量方法與裝置

有效

• 申請號: 201811342402.4
• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109540474B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 趙維謙;楊帥;邱麗榮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明涉及后置分光瞳激光差動共焦焦距測量方法與裝置，屬于光學精密測量技術領域。本方法利用后置光瞳遮擋一半測量光束，使用分光瞳差動共焦探測系統對測量光束進行探測，得到差動共焦響應曲線，利用差動共焦響應曲線的絕對零點分別對被測透鏡的表面頂點位置和焦點位置進行精確定焦，得到被測透鏡的頂焦距，并進一步計算得出被測透鏡的焦距。本發明首次將后置分光瞳激光差動共焦技術用于透鏡焦距的高精度檢測，僅用一路探測器即可實現差動共焦定焦及焦距測量，避免了更換被測鏡可能導致的定焦精度下降，提高了測量精度；對差動共焦響應曲線零點附近的數據進行線性擬合，實現快速觸發定焦及測量，使測量速度、精度及抗散射能力大大提升。

技術領域

本發明涉及后置分光瞳激光差動共焦焦距測量方法與裝置，可用于透鏡焦距的非接觸式高精度測量，屬于光學精密測量技術領域。

背景技術

焦距測量一直是一個重要的透鏡參數測量專題。焦距是透鏡眾多參數中最重要的參數之一，對于透鏡設計而言，無非就是調整各個參數以保證透鏡焦距滿足設計要求并且成像性能滿足系統要求。透鏡焦距測量通常包括頂焦距測量和焦距測量，在系統的設計和裝調過程中，這兩個參數通常密不可分，所以就要求能同時對透鏡的頂焦距和焦距進行高精度的測量。且近些年來，隨著科學技術的迅猛發展，在實際應用中人們對所使用透鏡各種參數的精度也提出了越發嚴格的要求，這就要求我們不斷尋找一種能更高精度測量透鏡頂焦距和焦距的方法。

針對透鏡頂焦距及焦距測量的方法，傳統的有目視調焦放大率法。該方法將被測透鏡放置于平行光管物鏡前，并將平行光管物鏡焦面上的分劃板的一對刻線成像在被測透鏡焦面上，通過測量放大后刻線的間距進而求得被測透鏡的焦距。該方法由于需要通過測量人員在光具座上逐項進行目視定焦、觀測、記錄、分析處理數據，所以存在效率低、測值不穩定等缺點，其測量準確度通常為0.3％左右。近些年隨著光電技術及計算機處理技術的發展，該方法已逐步被一種采用光電探測器和數字圖像處理測量透鏡頂焦距及焦距的方法所替代。由于該方法避免了測量過程中由人為因素產生的誤差，系統的測量精確度得到了很大程度的提高。

此外，測量透鏡頂焦距及焦距的方法還有自準直望遠鏡法和自準直顯微鏡法兩種，這兩種方法均是通過將被測透鏡放置在自準直儀上來實現。用自準直顯微鏡測量正透鏡頂焦距和焦距的準確度較常用的放大率法高出5～30倍，而且設備簡單。自準直望遠鏡較多用于測量負透鏡的焦距和頂焦距，還用于測量甚長焦距的正透鏡的焦距，但其測量準確度較低。

當然，除上述三種經典的透鏡頂焦距及焦距測量方法之外，國內外學者還提出了很多新的測量方法，發表的文獻包括：發表在《中國測試技術》中的《泰伯-莫爾法測量長焦距系統的焦距》、發表在《光子學報》中的《Ronchi光柵Talbot效應長焦距測量的準確度極限研究》、發表在《The Optical Society ofAmerica》中的《Focal length measurementsforthe National Ignition Facility large lenses》、發表在《APPLIED OPTICS》中的《Talbot interferometry formeasuring the focal length ofa lens》等，本發明人也曾在《OPTICS EXPRESS》中發表《Laser differential confocal ultra-long focal lengthmeasurement》。但以上文獻提出的透鏡頂焦距及焦距測量方法均僅適用于測量超長焦距，若用于一般焦距及較短焦距的測量，則誤差較大或無法實現。

近年來，國內外顯微成像領域的差動共焦技術迅速發展，該技術以軸向的光強響應曲線作為評價尺度。由于光學系統的物距變化引起的軸向放大率變化是垂軸放大率變化的平方，所以該方法的靈敏度高于垂軸方向的評價方法，并且該方法采用光強作為數據信息，相比圖像處理方法具有更高的抗環境干擾能力。例如中國專利“具有高空間分辨率的差動共焦掃描檢測方法”(專利號：200410006359.6)，其提出了超分辨差動共焦檢測方法，使系統軸向分辨力達到納米級，并顯著提高了環境抗擾動能力。