[发明专利]一种基于实验光线追迹原理的透镜焦距测量技术与装置

说明书

本发明公开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，属于光学测量技术领域。由两个点光源确定的空间光线以确定的离轴量平行于光轴入射待测透镜，通过点衍射干涉方法精确追迹该光线通过透镜后的出射光线与光轴的夹角来测量焦距。将被测透镜插入两薄膜分光镜之间，调节透镜，使同心干涉图的中心位于两相机中心，采集干涉图，其相位极值点即为初始零位。给待测透镜施加一系列离轴量，用两台相机分别采集干涉图并处理得到光程极值点位置，计算两个出瞳面上的光程极值位置到光轴的距离差，进而拟合得出焦距测量系数。依据事先标定的两相机成像面间距，代入公式计算得到被测透镜的焦距。该装置结构简单，可以实现透镜焦距的无损、快速、精确测量。

技术领域

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，Code V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。

发明内容

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，P_a，P_b为xyz空间坐标系中任意两点光源，则点光源P_a与P_b的连线确定了一根空间光线。设P_a，P_b的坐标分别为(0,0,R_a)、(x_b,y_b,R_b)，那么从点光源P_a和P_b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P_a P_b与光轴的入射角u。

u＝tan^-1(d/l) (1)