一种镜片折射率测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，更确切地说涉及一种镜片折射率测量装置及其测量方法。

背景技术

折射率参数是光学透镜的一个重要参数指标，为了确保光学系统有很好的成像质量，需要精确测量光学材料的折射率，目前高精度测量光学玻璃材料折射率是通过最小偏向角法进行。最小偏向角法具有精度高、波长范围大，且为直接测量，但最小片偏向角测试方法的前提是需要制作一个棱镜，进行光折射，同时需要精确测试棱镜的角度，这样的棱镜制作难度大，周期长；另外这种方法无法测试平面的光学元件，它比较适合用于玻璃制造商用于同一批玻璃的折射率样品测试，而不适合进行对实际镜片材料进行在线高精度测试。尤其某些特殊的应用场合，如眼镜片折射率检测，不知道光学元件材料的情况下，要求不破坏元件，实现其折射率检测，进而确定其材料属性。

目前针对成品镜片测定其折射率的检测方法主要有2种，一种是根据光焦度公式进行逆向计算，即利用机械精密测量方法测定其上下表面曲率、中心厚度和镜片光焦度，根据光焦度公司计算其测试波长折射率，该方法操作复杂、难度大，难以保证测量精度，且不适用于非球面镜片测量；另外一种方法是改变“环境”折射率方法，即通过改变与透镜上下表面接触介质的折射率，如将镜片至于已知折射率溶液中，或在镜片上下表面贴附已知折射率的柔性介质，分别测试镜片在空气中和在溶液中的光焦度，根据光焦度变化和溶液折射率可计算透镜材料折射率，该方法同样操作复杂，检测难度大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种镜片折射率测量装置，该测量装置操作简单，检测快速，测量精度高。

本发明的技术解决方案是，提供一种镜片折射率测量装置，包括屈光度测量模块、光学厚度测量模块、共焦反射测量模块、镜片上表面曲率测量模块及被测镜片；

所述的屈光度测量模块包括第一光源模组、第一准直透镜、哈特曼光阑片及第一光电探测器；第一光源模组发出的光经由第一准直透镜后成为平行光束；平行光束经过被测镜片和哈特曼光阑片后射入所述的第一光电探测器内；

所述的光学厚度测量模块包括第二光源模组、第二准直透镜、第三光源模组、第三准直透镜、第四光源模组、第四准直透镜、聚焦透镜、第一分光片、第二分光片、第三分光片、第四分光片、反射镜及第二光电探测器；第二光源模组发出的光经由第一分光片和第三分光片反射后进入主光路，再经过第四分光片分成两束，其中一束反射到所述的反射镜，再由所述的反射镜原路反射回来，部分反射光经过第四分光片透射进入第二光电探测器；另外一束光经过第四分光片透射，并被哈特曼光阑片上表面原路反射，反射光经过第四分光片反射后进入第二光电探测器；当由第四分光片反射、透射的两部分光经过反射再同时进入到第二光电探测器，移动反射镜，当第四分光片反射、透射的两部分光经过反射进入第二光电探测器的光程相等时，出现干涉现象；第三光源模组和第四光源模组发出的光同样可以在第二光电探测器内出现干涉现象；

所述的共焦反射测量模块包括第五光源、第三光电探测器、Y型光纤、透镜组和第五分光片；第五光源发出的光由Y型光纤的第一端口耦合到该Y型光纤中，并由Y型光纤的第二端口射出，所述的第二端口置于透镜组的后焦点上，第二端口射出的光束经过透镜组汇聚；所述的第五分光片设于所述的第四分光片和被测镜片之间，汇聚光再由第五分光片反射在被测镜片处聚焦；所述的第二端口和透镜组均安装于所述的移动组件上，所述的移动组件来回移动，光束可分别在被测镜片的上、下表面聚焦，聚焦时，反射光将原路返回到第二端口处，经光纤传播后，由Y型光纤的第三端口出射到第三光电探测器上；

所述的镜片上表面曲率测量模块包括第六光源、第六分光片、成像镜头及第四光电探测器；所述的第六光源发出的光在所述的第六分光片上进行反射进入主光路；进而投射到被测镜片上，被测镜片上表面产生散射光，散射光经由所述的成像镜头汇聚，并在第四光电探测器中聚焦成像。

采用以上结构后，本发明的镜片折射率测量装置，与现有技术相比，具有以下优点：

由于本发明的镜片折射率测量装置，屈光度测量模块、光学厚度测量模块、共焦反射测量模块、镜片上表面曲率测量模块及被测镜片。所述的屈光度测量模块用于检测被测镜片的屈光度，共焦反射测量模块用于检测被测镜片上下表面共焦反射位置，镜片上表面曲率测量模块用于检测被测镜片上表面曲率，根据以上几方面的数据就能测量得到镜片折射率，无需破坏镜片，操作简单，检测快速，而且适用于普通镜片、非球面镜片、柱面镜等非规则面型镜片折射率测量。

作为改进，所述的第一光源模组包括第一光源及第一孔片，所述的第一孔片靠近所述的第一光源的发光面的一侧设有透光孔；所述的第一光源发出的光经过透光孔后射出。

作为改进，所述的第一光源为单色LED光源，光谱宽度大于10纳米小于50纳米。

作为改进，所述的透光孔直径小于0.5毫米，所述的透光孔与第一光源的距离小于0.5毫米。

作为改机，述的透光孔直径小于0.2毫米。

作为改进，所述的第一准直透镜焦距大于50毫米。

作为改进，所述的第一准直透镜焦距大于100毫米。

作为改进，所述的哈特曼光阑片的上表面镀部分反射膜，下表面镀阵列圆孔式金属膜。

作为改进，所述的哈特曼光阑片的上表面加工有阵列型排布的透光孔，并在中心镀反射膜区域。

作为改进，所述的第二光源模组包括第二光源及第二孔片，所述的第二光源发出的光经所述的第二孔片后射出；所述的第三光源模组包括第三光源及第三孔片，所述的第三光源发出的光经所述的第三孔片后射出；所述的第四光源模组包括第四光源及第四孔片，所述的第四光源发出的光经所述的第四孔片后射出。

作为改进，所述的第二光源、第三光源和第四光源发出的波长都不相同，在所述的第二光电探测器内出现干涉现象的位置也均不同。

作为改进，所述的第五光源为LED光源或激光光源，所述的第五光源的波长与所述的第三光源的波长相同。

作为改进，所述的成像镜头和第四光电探测器均为倾斜安装，成像镜头中轴线与主光路光轴夹角为45°-60°。

作为改进，所述的第四光电探测器为面阵图像传感器。

本发明要解决的另一技术问题是，提供一种镜片折射率测量装置的测试方法，该测量方法操作简单，检测快速，测量精度高。

本发明的另一技术解决方案是，提供一种镜片折射率测量装置的测试方法，包括以下步骤：

S1、在放入被测镜片前，记录第一光源的光束在第一光电探测器上的分布，并记录第二光源、第三光源和第四光源在第二光电探测器中出现干涉现象时所述的反射镜的位置x02、x03、x04；

S2、将被测镜片放入所述的第五分光片和哈特曼光阑片之间，调整被测镜片的位置，直到第一光电探测器监测到被测镜片中心与第一光源的光路中心重合；根据第一光电探测器中光强分布计算被测镜片的屈光度；

S3、关闭所述的第一光源，并打开第二光源、第三光源、第四光源和第五光源，匀速移动移动组件，所述的反射镜、透镜组及第二端口同步匀速移动，所述的第二光电探测器记录插入被测镜片后第二光源、第三光源和第四光源的干涉峰位置x12、x13和x14；由第三光电探测器记录被测镜片上下表面共焦反射位置z2和z3；

S4、根据x03、x13、z2、z3可计算镜片折射率n2，具体计算公式如下：

采用以上结构后，本发明的镜片折射率测量方法，与现有技术相比，具有以下优点：

由于本发明的镜片折射率测量方法可以轻松且快速地测量x03、x13、z2、z3这四个值，根据x03、x13、z2、z3可计算镜片折射率n，无需破坏镜片，操作简单，检测快速，而且适用于普通镜片、非球面镜片、柱面镜等非规则面型镜片折射率测量。

作为改进，还包括步骤S5、计算镜片折射率n2后，进一步计算n1和n3，具体计算公式如下：

附图说明

图1为本发明的镜片折射率测量装置的结构示意图。

图中所示：1、第一光源模组，2、第一准直透镜，3、哈特曼光阑片，4、第一光电探测器，5、第二光源模组，6、第二准直透镜，7、第三光源模组，8、第三准直透镜，9、第四光源模组，10、第四准直透镜，11、聚焦透镜，12、第一分光片，13、第二分光片，14、第三分光片，15、第四分光片。16、反射镜，17、第二光电探测器，18、第五光源，19、第三光电探测器，20、Y型光纤，2001、第一端口，2002、第二端口，2003、第三端口，21、透镜组，22、第五分光片，23、第六光源，24、第六分光片，25、成像镜头，26、第四光电探测器，27、被测镜片。

具体实施方式

为了更好得理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

应注意的，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的指导的情况下，下文中讨论的第一凹槽也可被称作第二凹槽。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包含”“包括”、“具有”、“包含”、“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其他特征、整体、步骤、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“…至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修改列表中的单独元件。

本发明公开了一种镜片折射率测量装置，包括屈光度测量模块、光学厚度测量模块、共焦反射测量模块、镜片上表面曲率测量模块及被测镜片27。

所述的屈光度测量模块包括第一光源模组1、第一准直透镜2、哈特曼光阑片3及第一光电探测器4。所述的第一光源模组1包括第一光源及第一孔片，所述的第一孔片靠近所述的第一光源的发光面的一侧设有透光孔；所述的第一光源发出的光经过透光孔后射出。所述的第一光源为单色LED光源，光谱宽度大于10纳米小于50纳米。所述的透光孔直径小于0.5毫米，优选为小于0.2毫米；所述的透光孔与第一光源的距离小于0.5毫米；所述的第一准直透镜2焦距大于50毫米，优选地，所述的第一准直透镜2焦距大于100毫米。所述的第一光源设于所述的第一准直透镜2的后焦点上。所述的哈特曼光阑片3的上表面镀部分反射膜，400-650nm反射率60％-80％，下表面镀阵列圆孔式金属膜，圆孔直径0.2-0.3mm，圆孔中心距0.5-0.6mm，圆孔数量不少于7*7个。所述的哈特曼光阑片3的另一种结构是，上表面加工有阵列型排布的透光孔，并在中心镀反射膜区域；圆孔为透光孔，其他区域不透光，反射膜区域，400-650nm反射大于80％；小的圆孔直径0.2-0.3mm，大的圆孔直径0.5mm，中心镀反射膜区域直径0.3-1.0mm；圆孔中心距0.5-0.6mm，圆孔数量不少于7*7个。所述的第一光电探测器4为面阵CCD或CMOS传感器，分辨率大于320x240像素，优选分辨率大于640x480像素。

所述的第一光源模组1发出的光经由第一准直透镜2后成为平行光束；平行光束经过被测镜片27和哈特曼光阑片3后射入所述的第一光电探测器4内。

所述的光学厚度测量模块包括第二光源模组5、第二准直透镜6、第三光源模组7、第三准直透镜8、第四光源模组9、第四准直透镜10、聚焦透镜11、第一分光片12、第二分光片13、第三分光片14、第四分光片15、反射镜16及第二光电探测器17；所述的第二光源模组5包括第二光源及第二孔片，所述的第二光源发出的光经所述的第二孔片后射出；所述的第三光源模组7包括第三光源及第三孔片，所述的第三光源发出的光经所述的第三孔片后射出；所述的第四光源模组9包括第四光源及第四孔片，所述的第四光源发出的光经所述的第四孔片后射出。所述的第二光源为单色LED光源，波长与第一光源相同，光谱宽度大于10nm小于50nm，第二孔片靠近第二光源的发光面设置透光孔，透光孔直径小于0.2mm，优选小于0.1mm，透光孔和第二光源距离小于0.5mm；第二准直透镜6焦距大于50mm，优选焦距大于100mm，第二光源设置于第二准直透镜6的后焦点。聚焦透镜11焦距置于第三分光片14和第一分光片12之间，焦距大于50mm，优选焦距大于100mm。所述的第三分光片14为半透半反射镜，透射率与反射率比在3:7～7:3范围内，第四分光片15为半透半反射镜，透射率与反射率比在5:5。

第二光源模组5发出的光经由第一分光片12和第三分光片14反射后进入主光路，再经过第四分光片15分成两束，其中一束反射到所述的反射镜16，再由所述的反射镜16原路反射回来，部分反射光经过第四分光片15透射进入第二光电探测器17；另外一束光经过第四分光片15透射，并被哈特曼光阑片3上表面原路反射，反射光经过第四分光片15反射后进入第二光电探测器17；当由第四分光片15反射、透射的两部分光经过反射再同时进入到第二光电探测器17，移动反射镜，当第四分光片15反射、透射的两部分光经过反射进入第二光电探测器17的光程相等时，出现干涉现象；第三光源模组7和第四光源模组9发出的光同样可以在第二光电探测器17内出现干涉现象；所述的第二光源、第三光源和第四光源发出的波长都不相同，在所述的第二光电探测器17内出现干涉现象的位置也均不同。

所述的共焦反射测量模块包括第五光源18、第三光电探测器19、Y型光纤20、透镜组21和第五分光片22；Y型光纤20有三个端口。所述的Y型光纤20的第二端口2002至于所述的透镜组21的后焦点上。所述的第二端口2002和透镜组21均安装于移动组件28上，所述的移动组件28来回移动可带动所述的第二端口2002和透镜组28来回移动。所述的第二光源为LED光源或激光光源，所述的第五光源18为LED光源或激光光源，所述的第五光源18的波长与所述的第三光源的波长相同。

第五光源18发出的光由Y型光纤20的第一端口2001耦合到该Y型光纤20中，并由Y型光纤20的第二端口2002射出，所述的第二端口2002置于透镜组21的后焦点上，第二端口2002射出的光束经过透镜组21汇聚；所述的第五分光片22设于所述的第四分光片15和被测镜片27之间，汇聚光再由第五分光片22反射在被测镜片27处聚焦；所述的第二端口2002和透镜组21均安装于所述的移动组件28上，所述的移动组件28来回移动，光束可分别在被测镜片27的上、下表面聚焦，聚焦时，反射光将原路返回到第二端口2002处，经光纤传播后，由Y型光纤20的第三端口2003出射到第三光电探测器19上，形成强的光信号。所述的第五光源18为LED光源或激光光源，所述的第五光源18的波长与所述的第三光源的波长相同。Y型光纤的光路的导光关系是第一端口和第二端口之间传导，第二端口和第三端口之间传导。

所述的镜片上表面曲率测量模块包括第六光源23、第六分光片24、成像镜头25及第四光电探测器26；所述的第六光源23为激光光源，其发射光为一字线状光束，光的波长大于650nm。所述的成像镜头25和第四光电探测器26均为倾斜安装，成像镜头25中轴线与主光路光轴夹角为45°-60°。所述的第四光电探测器26为面阵图像传感器。

所述的第六光源23发出的光在所述的第六分光片24上进行反射进入主光路；进而投射到被测镜片27上，被测镜片27上表面产生散射光，散射光经由所述的成像镜头25汇聚，并在第四光电探测器26中聚焦成像。

本发明还公开了一种上述镜片折射率测量装置的测试方法，包括以下步骤：

S1、在放入被测镜片27前，记录第一光源的光束在第一光电探测器4上的分布，并记录第二光源、第三光源和第四光源在第二光电探测器17中出现干涉现象时所述的反射镜的位置x02、x03、x04；

S2、将被测镜片27放入所述的第五分光片22和哈特曼光阑片3之间，调整被测镜片27的位置，直到第一光电探测器4监测到被测镜片27中心与第一光源的光路中心重合；根据第一光电探测器4中光强分布计算被测镜片27的屈光度(屈光度计算为已知技术)；

S3、关闭所述的第一光源，并打开第二光源、第三光源、第四光源和第五光源，匀速移动移动组件28，所述的反射镜16、透镜组21及第二端口2002同步匀速移动，所述的第二光电探测器17记录插入被测镜片27后第二光源、第三光源和第四光源的干涉峰位置x12、x13和x14；由第三光电探测器19记录被测镜片27上下表面共焦反射位置z2和z3；

S4、根据x03、x13、z2、z3可计算镜片折射率n2，具体计算公式如下：

S5、计算镜片折射率n2后，进一步计算n1和n3，具体计算公式如下：

利用折射率n1、n2和n3，可以计算镜片的色散系数ν，具体计算公式如下：