CN101000232A - 利用干涉仪精确测量望远系统物镜和目镜间距偏差的方法 - Google Patents

Abstract

利用干涉仪精确测量望远系统物镜和目镜间距偏差的方法，涉及到望远系统中目镜和物镜间距偏差的测量方法。本发明提供了一种高精度测量望远系统中目镜和物镜间距偏差的方法，它的步骤为：将被测望远系统和标准平面反射镜同轴放置在干涉仪的出射光路上；干涉仪向望远系统发射参考光束；参考光束经望远系统发射到标准平面反射镜上，经标准平面反射镜反射后经望远系统返回到干涉仪中的CCD探测器上；计算机采集、分析CCD探测器上的数据得到干涉条纹数Δn；根据干涉条纹数Δn以及干涉仪和望远系统的物理参数，计算得到望远系统中物镜和目镜间距偏差距离Δd。本发明可以精确测量出望远系统中物镜和目镜间距的偏差，可以应用到望远系统的目镜和物镜间距校准系统中。

Description

利用干涉仪精确测量望远系统物镜和目镜间距偏差的方法

技术领域

本发明涉及到望远系统中的目镜和物镜间距偏差的测量方法。

背景技术

望远系统中物镜与目镜的间距是望远系统的重要参数，物镜和目镜间距的精确程度决定了望远系统性能的好坏。目前望远系统的应用日趋广泛，望远系统的性能要求不断提高，对于目镜和物镜之间的间距精度要求已经达到微米级，而现有确定望远系统中物镜与目镜间距的方法都是通过高精度的机械加工来保证的，对于微米级的精度要求仅使用现有高精度机械加工手段是远远不能达到的。

发明内容

为了能够精确地测量出望远系统中物镜和物镜间距的偏差，以便于对其进行校正，本发明设计了一种利用干涉仪精确测量望远系统物镜和目镜间距偏差的方法。

本发明的利用干涉仪精确测量望远系统物镜和目镜间距偏差的方法，步骤为：

A、将被测望远系统和标准平面反射镜同轴放置在带有CCD探测器的干涉仪的出射光路上，被测望远系统放置在干涉仪和标准平面反射镜之间，望远系统中的目镜靠近标准平面反射镜，间距为L；

B、调整带有CCD探测器的干涉仪向工作波长为λ2的望远系统发射波长为λ1的参考光束；

C、参考光束经望远系统中的物镜、目镜折射后，发射到标准平面反射镜上，经标准平面反射镜反射后再经望远系统中的目镜、物镜折射返回到干涉仪的CCD探测器上；

D、所述带有CCD探测器的干涉仪的CCD探测器，探测反射波阵面与参考光束形成的波阵面的干涉条纹；

E、通过计算机采集、分析CCD上探测到的干涉条纹的图样，得到实际产生的干涉条纹数Δn

F、通过干涉条纹数量Δn以及望远系统的目镜、物镜的物理特性计算得到望远系统中物镜和目镜之间的距离偏差Δd为：

$\mathrm{\Δd}=\frac{\mathrm{\Δn}*{\mathrm{\λ}}_1}{(\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}-1)+L(\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}-1)},$

其中 $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{D_2}{2*{f2}_{{\mathrm{\λ}}_1}}\right),$ $\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{D_2*({f2}_{\mathrm{\λ}2}-{f2}_{\mathrm{\λ}1})}{2*{f2}_{\mathrm{\λ}1}*{f2}_{\mathrm{\λ}2}}\right),$

公式中的f1_λ1、f1_λ2分别是望远系统中物镜对应于波长为λ₁、λ₂光波的焦距，f2_λ1、f2_λ2分别是望远系统中目镜对应于波长为λ₁、λ₂光波的焦距，D₂是望远系统中目镜的有效孔径。

本发明利用干涉仪获得望远系统所形成的干涉条纹，然后通过计算机检测干涉条纹的数量Δn，计算望远系统中物镜和目镜之间的间距偏差。根据使用干涉仪的性能的不同，可以使本发明的测量精度能达到微米级。本发明可以推广应用到望远系统的物镜和目镜间距的校准系统中。

附图说明

图1是本发明的利用干涉仪精确测量望远系统物镜和目镜间距偏差的方法所使用的装置结构示意图。

具体实施方式

一种利用干涉仪精确测量望远系统物镜和目镜间距偏差的方法，具体步骤为：

A、将被测望远系统2和标准平面反射镜4同轴放置在带有CCD探测器的干涉仪1的出射光路上，所述被测望远系统2放置在带有CCD探测器的干涉仪1和标准平面反射镜4之间，被测望远系统2中的目镜22靠近标准平面反射镜4，间距为L；；

B、调整带有CCD探测器的干涉仪1向工作波长为λ2的望远系统2发射波长为λ1的参考光束31；

C、参考光束31经望远系统2中的物镜21、目镜22折射后，发射到标准平面反射镜4上，经标准平面反射镜4反射后再经望远系统2中的目镜22、物镜21折射返回到干涉仪的CCD探测器上；

D、所述带有CCD探测器的干涉仪1的CCD探测器探测反射波阵面与参考光束31形成的波阵面的干涉条纹；

E、通过计算机采集、分析CCD上探测到的干涉条纹的图样，得到实际产生的干涉条纹数Δn；

F、通过干涉条纹数量Δn以及望远系统2的目镜22、物镜21的物理特性计算得到望远系统2中物镜21和目镜22之间的距离偏差Δd为：

$\mathrm{\Δd}=\frac{\mathrm{\Δn}*{\mathrm{\λ}}_1}{(\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}-1)+L(\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}-1)},$

其中 $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{D_2}{2*{f2}_{{\mathrm{\λ}}_1}}\right),$ $\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{D_2*({f2}_{\mathrm{\λ}2}-{f2}_{\mathrm{\λ}1})}{2*{f2}_{\mathrm{\λ}1}*{f2}_{\mathrm{\λ}2}}\right),$

公式中的f1_λ1、f1_λ2分别是望远系统2中物镜21对应于波长为λ₁、λ₂的光波的焦距，f2_λ1、f2_λ2分别是望远系统2中目镜22对应于波长为λ₁、λ₂的光波的焦距，D₂是望远系统2中目镜的有效孔径。

本实施例中实现该方法的装置，由带有图像采集卡的计算机3、带有CCD探测器的干涉仪1和标准平面反射镜4组成，在带有CCD探测器的干涉仪1的出射光路上，同轴10放置有被测的望远系统2和标准平面反射镜4，所述被测的望远系统2放置在带有CCD探测器的干涉仪1和标准平面反射镜4之间；所述望远系统2的物镜21和目镜22的焦距分别是f1、f2，望远系统2的目镜22和平面反射镜4之间的距离为L，所述带有CCD探测器的干涉仪1的图像信息输出端与带有图像采集卡的计算机3的图像输入端连接。

本实施例中带有CCD探测器的干涉仪1选用美国ZYGO公司生产的GHI-4”HS型干涉仪，所述标准平面反射镜4采用口径为φ80的平面镜作为反射镜，面型精度RMS为1/70λ，采用这种配置的利用干涉仪测量望远系统中物镜和目镜间距偏差的装置，计算机采集干涉条纹图样的处理精度为1/10个条纹。

使用该装置测量望远系统物镜和目镜间距偏差，参考光束的路线为：带有CCD探测器的干涉仪1发射出波长为λ₁的平行参考光束31，平行参考光束31经望远系统2的物镜21和目镜22的折射之后发射到标准平面反射镜4上，经标准平面反射镜4的反射形成反射光束反射到望远系统2的目镜22上，经望远系统2的目镜22和物镜21折射后返回到带有CCD探测器的干涉仪1的CCD探测器上。

当目镜22在实际位置A时，平行参考光束31经物镜21折射之后形成的物镜折射光束32，物镜折射光束32与轴10的夹角为α，物镜折射光束32在目镜22的射入点为b，物镜折射光束32经目镜22折射后形成目镜折射光束33，目镜折射光束33在标准平面反射镜4的射入点为c，目镜折射光束33与中心轴10之间的夹角为β；当目镜22移动到理想位置B时，设物镜折射光束32在目镜22的射入点为a，目镜折射光束33为平行光束，目镜理想折射光束34在标准平面反射镜4的射入点为e。目镜的实际位置A和理想位置B之间的距离即为要需要测量的间距偏差Δd。目镜22在实际位置A和在理想位置B时，物镜与目镜的间距偏差为： $\mathrm{\Δd}=({f1}_{{\mathrm{\λ}}_1}+{f2}_{{\mathrm{\λ}}_1})-({f1}_{{\mathrm{\λ}}_2}+{f2}_{{\mathrm{\λ}}_2}).$

条纹数量的计算方法如下所述：

当目镜22在实际位置A和理想位置B时，系统中的单程光程变化为：

$\mathrm{OPD}=(\mathrm{ab}+\mathrm{bc})-(\mathrm{\Δd}+L)=(\mathrm{ab}-\mathrm{\Δd})+(\mathrm{bc}-L)=\mathrm{\Δd}*(\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}-1)+L(\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}-1),$

式中的角度α和β分别为： $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{D_2}{2*{f2}_{{\mathrm{\λ}}_1}}\right),$ $\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{D_2*({f2}_{\mathrm{\λ}2}-{f2}_{\mathrm{\λ}1})}{2*{f2}_{\mathrm{\λ}1}*{f2}_{\mathrm{\λ}2}}\right),$

当目镜22的实际位置A和理想位置B的距离为Δd时，干涉条纹的数量为：

$\mathrm{\Δn}=\frac{\mathrm{OPD}}{{\mathrm{\λ}}_1}.$

导出干涉条纹数Δn与间距Δd间的对应关系为：

$\mathrm{\Δd}=\frac{\mathrm{\Δn}*{\mathrm{\λ}}_1}{(\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}-1)+L(\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}-1)}.$

本实施例中，设λ₁＝632.8nm、f2_λ1＝151.6mm、f2_λ2＝153.2mm、D₂＝40mm、L＝10mm，计算机对干涉条纹的分辨率为1/10个条纹，则本实施例中能够测量到的最小距离Δd由公式

$\mathrm{\Δd}=\frac{\mathrm{\Δn}*{\mathrm{\λ}}_1}{(\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}-1)+L(\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}-1)}$

计算获得Δd＝0.007mm，即本实施方式能够测量到的最小距离为0.007mm。

Claims (2)

1、利用干涉仪精确测量望远系统物镜和目镜间距偏差的方法，其特征在于步骤为：

A、将被测望远系统(2)和标准平面反射镜(4)同轴放置在带有CCD探测器的干涉仪(1)的出射光路上，所述被测望远系统(2)放置在带有CCD探测器的干涉仪(1)和标准平面反射镜(4)之间，被测望远系统(2)中的目镜靠近标准平面反射镜(4)，间距为L；

B、调整带有CCD探测器的干涉仪(1)向工作波长为λ2的望远系统(2)发射波长为λ1的参考光束(31)；

C、参考光束(31)经望远系统(2)中的物镜(21)、目镜(22)折射后，发射到标准平面反射镜(4)上，经标准平面反射镜(4)反射后再经望远系统(2)中的目镜(22)、物镜(1)折射返回到干涉仪的CCD探测器上；

D、所述带有CCD探测器的干涉仪(1)的CCD探测器探测反射波阵面与参考光束(31)形成的波阵面的干涉条纹；

E、通过计算机采集、分析CCD上探测到的干涉条纹的图样，得到实际产生的干涉条纹数Δn；

F、通过干涉条纹数量Δn以及望远系统(2)的目镜(22)、物镜(21)的物理特性计算得到望远系统(2)中物镜(21)和目镜(22)之间的距离偏差Δd。

2、根据权利要求1所述的利用干涉仪精确测量望远系统物镜和目镜间距偏差的方法，在步骤F中，根据Δn获得Δd的计算公式为：

$\mathrm{\Δd}=\frac{\mathrm{\Δn}*{\mathrm{\λ}}_1}{(\frac{1}{\cos \mathrm{\α}}-1)+L(\frac{1}{\cos \mathrm{\β}}-1)},$

其中 $\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{D_2}{2*{f2}_{{\mathrm{\λ}}_1}}\right),$ $\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{D_2*({f2}_{\mathrm{\λ}2}-{f2}_{\mathrm{\λ}1})}{2*{f2}_{\mathrm{\λ}1}*{f2}_{\mathrm{\λ}2}}\right),$

公式中的f1_λ1、f1_λ2分别是望远系统(2)中物镜(21)对应于波长为λ₁、λ₂的光波的焦距，f2_λ1、f2_λ2分别是望远系统(2)中目镜(22)对应于波长为λ₁、λ₂的光波的焦距，D₂是望远系统(2)中目镜的有效孔径。

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