[发明专利]宽波段共焦红外透镜元件折射率测量方法与装置

权利要求书

1.一种宽波段共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：利用宽波段共焦光路对被测透镜进行层析定焦，利用光学追迹算法计算被测透镜元件折射率，进而实现可见到红外宽波段范围内任意波长条件下被测透镜元件折射率的高精度非接触测量，包括以下步骤：

(a)调节宽波段点光源系统(1)发射所需波长的发散光束，发散光束透过宽波段分光系统(3)后被宽波段准直与会聚系统(4)调制为空心会聚测量光束；空心会聚测量光束照射到被测透镜(5)上并被反射回光路，经过宽波段准直与会聚系统(4)被调制为空心会聚信号光束，空心会聚信号光束被宽波段分光系统(3)反射进入共焦探测系统(7)中，经过针孔(8)被探测器(9)接收，探测器(9)将探测得到的光强信号传输至控制与计算系统(11)进行处理，得到共焦轴向响应曲线(12)；

(b)轴向移动被测透镜(5)，当前表面顶点位于空心会聚测量光束会聚点附近时，传输至控制与计算系统(11)获得前表面定焦曲线(15)，当后表面顶点位于空心会聚测量光束会聚点附近时，传输至控制与计算系统(11)获得后表面定焦曲线(16)，测量前表面定焦曲线(15)的峰值点与后表面定焦曲线(16)峰值点之间的轴向距离(17)获得被测透镜的光学厚度d；

(c)使用如下公式计算被测透镜(5)的折射率n：

其中，其中r和t分别为被测透镜(5)第一面曲率半径和厚度，ε为光束归一化内径，ρ为光瞳归一化半径，f₀为宽波段准直与会聚系统(4)的物方焦距，f_c为宽波段准直与会聚系统(4)的像方焦距，D为宽波段准直与会聚系统(4)的通光口径,K(ρ)为光瞳面光强分布函数；

根据光学追迹算法，积分函数n(r,d,t,D,f₀,f_c,ρ)中各变量满足如下关系：

根据测量得到的光学厚度d、测量光路参数、被测透镜(5)的第一面曲率半径r和厚度t即可计算得到被测透镜元件折射率n；

(d)调节宽波段点光源系统(1)发射其他所需波长，重复步骤(a)～(c)测量得到其他波长条件下的被测透镜(5)的折射率。

2.根据权利要求1所述的宽波段共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：还可以通过光瞳滤波器(2)调制宽波段点光源系统(1)发射的发散光束光强分布，压缩空心会聚测量光束的会聚焦斑的焦深，提高定焦灵敏度。

3.根据权利要求1所述的宽波段共焦红外透镜元件折射率测量方法，其特征在于：还可以通过滤波片(10)滤除样品反射光中的其他波段杂散光，提高探测信噪比。

4.一种宽波段共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于包括：宽波段点光源系统(1)，位于宽波段点光源系统(1)出射方向的光瞳滤波器(2)、宽波段分光系统(3)、宽波段准直与会聚系统(4)、调整与驱动系统(6)和位于宽波段分光系统(3)反射方向的共焦探测系统(7)以及控制与计算系统(11)；其中宽波段点光源系统(1)包括黑体光源(13)和位于黑体光源(13)出射方向的单色仪(14)；宽波段准直与会聚系统(4)包括沿着光路依次放置的空心抛物面会聚镜(18)和空心抛物面准直镜(19)；共焦探测系统(7)包括位于宽波段准直与会聚系统(4)的像方焦点位置的针孔(8)和位于针孔(8)后的探测器(9)。

5.根据权利要求4所述的宽波段共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：所述调整与驱动系统(6)用于承载被测透镜(5)、调整被测透镜(5)的位置和姿态、驱动被测透镜(5)轴向移动并实时监控被测透镜(5)的轴向位置。

6.根据权利要求4所述的宽波段共焦红外透镜元件折射率测量装置，其特征在于：光瞳滤波器(2)包括位相型光瞳、幅值型光瞳或者复合型光瞳，用于调制测量光束的相位和强度分布，压缩聚焦空心会聚测量光束聚焦焦斑尺寸，提高对被测透镜(5)的层析定焦灵敏度。