CN101140196A - 透镜焦距的测量装置及其测量方法和光学质量评估方法 - Google Patents

Abstract

一种透镜焦距的测量装置及其测量方法和光学质量评估方法，该透镜焦距的测量装置由平面反射镜、待测透镜、点光源、竖直刀口、一维精密平移导轨、激光测距仪、CCD探测器和显示器组成，透镜焦距的测量方法包括①调节点光源与待测透镜自准直；②调节平面反射镜使透反会聚光束进入所述的CCD探测器；③测量待测透镜的焦深；④测量点光源到待测透镜的几何主面的距离L；⑤计算待测透镜的焦距：f＝L+d，该d为透镜几何主面和光学主平面的距离。通过观察远场焦斑形状，定性地评估待测透镜的光学加工质量。该装置和方法适用于小口径短焦距和大口径长焦距透镜的测量和评估，具有直观、测量精度高、机构简单等特点。

Description

透镜焦距的测量装置及其测量方法和光学质量评估方法

技术领域

本发明涉及透镜，特别是一种透镜焦距的测量装置及测量方法和光学质量评估方法，该方法适用于小口径短焦距和大口径长焦距透镜的测量和评估，焦距测量的相对误差小，显著提高了大口径长焦距透镜的测量精度。

背景技术

随着大型激光核聚变装置(ICF)的迅速发展，该装置中用到的空间滤波器透镜口径大0.3～0.5米，焦距长几十米。而现有的大口径长焦距透镜加工和测量精度仅为1～5‰，基于龙基光栅塔尔博塔效应的长焦距名义测量误差为0.15％，但该方法机构复杂，光学元件多，测量结果受标定误差的影响，不适合大口径、大F数光学元件测量的需求。空间滤波器受透镜加工测量限制，调整机构结构复杂，装调维护困难，因此需要研制高精度的大口径长焦距透镜测量方法，实现透镜焦距的高精度测量，简化透镜调整机构和安装调节方式，提高机构的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的困难，提供一种基于透反法测量的透镜焦距的测量装置及其测量方法和光学质量评估方法，该装置和方法可利用大口径、大F数高精密加工完成后的透镜(以下简称为待测透镜)进行透镜焦距的测量及其光学质量的定性评估。该装置和方法适用于小口径短焦距和大口径长焦距透镜的测量和评估，应具有直观精确的优点，焦距测量精度高，机构简单，也可实现光学仪器中透镜高精度实时装调测量，满足工程需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种透镜焦距的测量装置，其构成包括：平面反射镜、待测透镜、点光源、竖直刀口、一维精密平移导轨、激光测距仪、CCD探测器和显示器，其位置关系如下：平面反射镜和待测透镜竖直地安装在一个平台上，点光源、竖直刀口、激光测距仪和CCD探测器都固定在光学调整架上，该光学调整架又安装在所述的一维精密平移导轨上，该一维精密平移导轨沿所述的待测透镜主轴线方向并在其焦点的下方设置，该一维精密平移导轨的移动方向与待测透镜主轴线平行，所述的点光源、竖直刀口和激光测距仪的测量零点保证在与待测透镜的主轴相垂直的同一平面内，而且所述的竖直刀口可相对于点光源作左右平移调整，该点光源的发散光经待测透镜和平面反射镜的透反后成为会聚光束，成像在竖直刀口附近，且该像由所述的CCD探测器接收，该CCD探测器的输出端与所述的显示器相连，所述的激光测距仪的发射光束指向所述的待测透镜的几何主面；所述的平面反射镜要求具有两维角度调整机构。

位于所述的待测透镜的焦点附近的点光源与透反会聚光束的距离为2mm～10mm。

利用所述的透镜焦距的测量装置进行透镜焦距的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

①首先将待测透镜和平面反射镜竖直地安装在一光学平台上，调节点光源与待测透镜自准直；

②调节平面反射镜使经该平面反射镜反射回来的会聚光束进入所述的CCD探测器；

③测量待测透镜的焦深：

沿待测透镜的主轴方向在一维精密平移导轨上移动所述的光学调整架，即移动点光源、竖直刀口和激光测距仪，并在显示器中观察到光斑，再将点光源自焦前向焦后移动和相反，

当点光源在焦前时，经过待测透镜后光束发散，被平面反射镜反射后，点光源成像在竖直刀口的后方，左右移动竖直刀口，通过CCD探测器在显示器中观察到光斑变暗方向和竖直刀口移动方向相反，即为焦前变化，此时点光源和竖直刀口位于焦点前，应向后移动；

当点光源在焦后时，经过待测透镜后光束会聚，被平面反射镜反射后点光源成像在竖直刀口前方，左右移动竖直刀口，通过CCD探测器在显示器8中观察光斑变暗方向和竖直刀口移动方向相同，即为焦后变化，此时点光源和刀口位于焦点后，应向前移动。

当点光源在焦深范围时，左右移动竖直刀口，通过CCD探测器在显示器中观察到光斑瞬时变暗，没有缓变过程即为焦面变化。

在显示器中观察到焦面变化的点光源和竖直刀口前后两点之间距离，即为焦深z；

④将点光源和竖直刀口移动到焦深的中点处，用激光测距仪测量点光源到待测透镜的几何主面的距离L；

⑤再根据透镜几何主面和光学主平面的距离d由下式计算待测透镜的焦距：f＝L+d，该d由光学设计决定，或用其它光学方法测量。

利用上述透镜焦距的测量装置进行透镜光学质量定性评估的方法，包括下列步骤：

①在所述的竖直刀口的位置替代地设置三倍衍射极限的滤波孔，在一维精密平移导轨上移动所述的调整架使点光源和所述的衍射孔到待测透镜的焦平面，微调所述的平面反射镜使透反光束通过所述的滤波孔，并在所述的滤波孔和CCD探测器之间插入第二透镜；

②在所述的滤波孔的后方侧边用光源照明所述的滤波孔，使待测透镜的焦斑经滤波孔和第二透镜成像在CCD探测器面上，在显示器观察远场焦斑形状，根据焦斑定性地评估待测透镜的光学加工质量：

透镜球差校正不足时，焦前和焦后焦斑衍射像不同：焦前的衍射像有明锐的、轮廓清晰的光环，在焦后所有光环都是模糊的，在焦面上的焦斑直径大于理想值；

像散是由于光学元件对光轴倾斜、定中不准确或元件表面有不规则的面形误差时引起，焦斑衍射像在焦点前后呈椭圆形，在焦深处呈十字形；

慧差是由于离轴引起，焦斑衍射像光能分布不均匀，同一衍射环的亮度和宽度不均匀，光能分布出现明亮的头部，在一侧残留断裂的衍射环。

本发明的技术效果如下：

1、本发明可以精密测量透镜焦距和焦深。理想点光源和刀口位于靠近透镜理论焦点并与透镜主轴垂直的同一平面内，点光源的发散光经透镜和反射镜透反成像在刀口附近，点光源和刀口共同沿透镜主轴移动，刀口切割反射光束，通过观察焦前焦后变化确定焦平面位置和焦深，精确测量焦平面和透镜几何主面的距离，换算出焦距。

2、本发明可以判别透镜光学加工质量，采用透反法确定焦平面位置后，在焦平面的理想点光源发出的光经透镜后形成满口径理想平行光，经过平面反射镜反射后会聚的远场光斑中包含了透镜的整体加工面形信息，可根据焦斑的信息判断透镜加工质量水平。

附图说明

图1是本发明透镜焦距测量装置的结构示意图

图2是本发明透镜光学质量判别的机构示意图

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明的透镜焦距测量装置的结构示意图，由图可见，本发明透镜焦距的测量装置，特点在于其构成包括：平面反射镜5、待测透镜4、点光源1、竖直刀口2、一维精密平移导轨3、激光测距仪6、CCD探测器7和显示器8，其位置关系如下：平面反射镜5和待测透镜4竖直地安装在一个平台上，点光源1、竖直刀口2、激光测距仪6和CCD探测器7都固定在光学调整架上，该光学调整架又安装在所述的一维精密平移导轨3上，该一维精密平移导轨3沿所述的待测透镜4主轴线方向并在其焦点的下方设置，该一维精密平移导轨3的移动方向与待测透镜4主轴线平行，所述的点光源1、竖直刀口2和激光测距仪6的测量零点保证在与待测透镜4的主轴相垂直的同一平面内，而且所述的竖直刀口2可相对于点光源1作左右平移调整，该点光源1的发散光经待测透镜4和平面反射镜5的透反后成为会聚光束，成像在竖直刀口2附近，且该像由所述的CCD探测器7接收，该CCD探测器7的输出端与所述的显示器8相连，所述的激光测距仪6的发射光束指向所述的待测透镜4的几何主面；所述的平面反射镜5要求具有两维角度调整机构。

所述的待测透镜4的焦点附近的点光源1和透反会聚光束的距离应尽可能小，以不产生严重偏轴象散为准，与透反会聚光束的距离为2mm～10mm。

利用所述的透镜焦距的测量装置进行透镜焦距的测量方法，包括下列步骤：

①首先将待测透镜4和平面反射镜5竖直地安装在一光学平台上，调节点光源1与待测透镜4自准直；

②调节平面反射镜5使经平面反射镜5反射回来的会聚光束进入所述的CCD探测器7；

③测量待测透镜4的焦深：

沿待测透镜4的主轴方向在一维精密平移导轨3上移动所述的光学调整架，即移动点光源1、竖直刀口2和激光测距仪6，并在显示器8中观察到光斑，再将点光源1自焦前向焦后移动，在显示器8中观察到焦面变化的点光源1和竖直刀口2前后两点之间距离，即为焦深z；

④将点光源1和竖直刀口2移动到焦深的中点处，用激光测距仪6测量点光源1到待测透镜4的几何主面的距离L；

⑤再根据透镜几何主面和光学主平面的距离d由下式计算待测透镜4的焦距：f＝L+d，该d由光学设计决定，或用其它光学方法测量。

参阅图2，图2是本发明透镜光学质量判别的机构示意图。本发明透镜光学质量定性评估的方法，包括下列步骤：

①在所述的竖直刀口2的位置设置三倍衍射极限的滤波孔9，在一维精密平移导轨3上移动所述的调整架使点光源1和所述的衍射孔9到待测透镜4的焦平面，微调所述的平面反射镜5使透反光束通过所述的滤波孔9，并在所述的滤波孔9和CCD探测器7之间插入第二透镜11；

②在所述的滤波孔9的后方侧边用光源10照明所述的滤波孔9，使待测透镜4的焦斑经滤波孔9和第二透镜11成像在CCD探测器7面上，在显示器8观察远场焦斑形状，根据焦斑定性地评估待测透镜4的光学加工质量：

透镜球差校正不足时，焦前和焦后焦斑衍射像不同：焦前的衍射像有明锐的、轮廓清晰的光环，在焦后所有光环都是模糊的，在焦面上的焦斑直径大于理想值；

像散是由于光学元件对光轴倾斜、定中不准确或元件表面有不规则的面形误差时引起，焦斑衍射像在焦点前后呈椭圆形，在焦深处呈十字形；

慧差是由于离轴引起，焦斑衍射像光能分布不均匀，同一衍射环的亮度和宽度不均匀，光能分布出现明亮的头部，在一侧残留断裂的衍射环。

将本发明用于神光II高能激光(第九路)中空间滤波器SF8的输出透镜进行测量。

待测透镜的设计焦距为9328mm，测量过程中待测透镜的通光口径为Φ300mm，理想点光源采用波长λ＝1.053μm单横模光纤点光源。点光源的发散光束经透反后为高斯聚焦光束，会聚的焦光斑半径为：

W₀＝λf/D＝1.053×10^-6×9.328/0.3＝3.2×10^-5m

理论焦深： $Z=\±\frac{0.46\mathrm{\π}{w}_0^2}{\mathrm{\λ}}=\±\frac{0.46\×3.14\×{3.2}^2\×{10}^{-10}}{1.053\×{10}^{-6}}=\±1.4\mathrm{mm}$

实际测量结果为：在3mm范围内可以明显分辨出焦前和焦后变化，与理论焦深2.8mm非常接近，焦平面位置调节精度小于0.5mm。焦平面和透镜主面的距离用高精度激光测距仪测量，测量误差等同于激光测距仪的精度，采用瑞士莱卡高精度测距仪，测程0.2m至200m，精度达到±1.5mm，分辨率为1mm，测量焦平面到透镜主面的距离为9317mm，根据焦距和截距关系换算出焦距f为9315mm。

综上所述，透反法焦距测量精度3.5mm。针对实验中的SF8输出透镜焦距测量精度小于3.5/9315＝0.37‰。而会聚光束在焦深处，即在瑞利范围内光束为准直光束，滤波小孔在焦深范围内都可以实现滤波功能，透反法确定焦深长度大于2.5mm，工程实施中滤波小孔的位置误差为1mm，满足工程需要。

本发明透镜焦距测量具有直观精确的优点，同时适用于小口径短焦距和大口径长焦距透镜，焦距测量可达万分之三量级，而且调节精度高，焦深误差小，结构简单。本发明专利使用的光学元件只有高精度基准反射镜，面形精度为He-Ne激光波长的六分之一。当点光源偏离焦平面时，平面反射镜的反射作用使竖直刀口和像点的相对移动速度增加一倍，测量精度是普通刀口仪的两倍。确定焦平面后通过观察焦斑形状可以判断透镜的面形误差。本发明专利原理简单、实用，具有很高的使用价值。

Claims (4)

1.一种透镜焦距的测量装置，特征在于其构成包括：平面反射镜(5)、待测透镜(4)、点光源(1)、竖直刀口(2)、一维精密平移导轨(3)、激光测距仪(6)、CCD探测器(7)和显示器(8)，其位置关系如下：平面反射镜(5)和待测透镜(4)竖直地安装在一个平台上，点光源(1)、竖直刀口(2)、激光测距仪(6)和CCD探测器(7)都固定在光学调整架上，该调整架又安装在所述的一维精密平移导轨(3)上，该一维精密平移导轨(3)沿所述的待测透镜(4)主轴线方向并在其焦点的下方设置，该一维精密平移导轨(3)的移动方向与待测透镜(4)主轴线平行，所述的点光源(1)、竖直刀口(2)和激光测距仪(6)的测量零点保证在与待测透镜(4)的主轴相垂直的同一平面内，而且所述的竖直刀口(2)可相对于点光源(1)作左右平移调整，该点光源(1)的发散光经待测透镜(4)和平面反射镜(5)的透反后成为会聚光束，成像在竖直刀口(2)附近，且该像由所述的CCD探测器(7)接收，该CCD探测器(7)的输出端与所述的显示器(8)相连，所述的激光测距仪(6)的发射光束指向所述的待测透镜(4)的几何主面；所述的平面反射镜(5)要求具有两维角度调整机构。

2.根据权利要求1所述的透镜焦距的测量装置，其特征在于位于所述的待测透镜(4)的焦点附近的点光源(1)与透反会聚光束的距离为2mm～10mm。

3.利用权利要求1所述的透镜焦距的测量装置进行透镜焦距的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

①首先将待测透镜(4)和平面反射镜(5)竖直地安装在一光学平台上，调节点光源(1)与待测透镜(4)自准直；

②调节平面反射镜(5)使经平面反射镜(5)反射回来的会聚光束进入所述的CCD探测器(7)；

③测量待测透镜(4)的焦深Z：

沿待测透镜(4)的主轴方向在一维精密平移导轨(3)上移动所述的光学调整架，即移动点光源(1)、竖直刀口(2)和激光测距仪(6)，并在显示器(8)中观察到光斑，再将点光源(1)自焦前向焦后移动，在显示器(8)中观察到焦面变化的点光源(1)和竖直刀口(2)前后两点之间距离，即为焦深z；

④将点光源(1)和竖直刀口(2)移动到焦深的中点处，用激光测距仪(6)测量点光源(1)到待测透镜(4)的几何主面的距离L；

⑤再根据透镜几何主面和光学主平面的距离d由下式计算透镜(4)的焦距：f＝L+d，该d由光学设计决定，或用其它光学方法测量。

4.利用权利要求1所述的透镜焦距的测量装置进行透镜光学质量定性评估的方法，其特征在于包括下列步骤：

①在所述的竖直刀口(2)的位置设置三倍衍射极限的滤波孔(9)，在一维精密平移导轨(3)上移动所述的调整架使点光源(1)和所述的衍射孔(9)到待测透镜(4)的焦平面，微调所述的平面反射镜(5)使透反光束通过所述的滤波孔(9)，并在所述的滤波孔(9)和CCD探测器(7)之间插入第二透镜(11)；

②在所述的滤波孔(9)的后方侧边用光源(10)照明所述的滤波孔(9)，使待测透镜(4)的焦斑经滤波孔(9)和第二透镜(11)成像在CCD探测器(7)面上，在显示器(8)观察远场焦斑形状，根据焦斑定性地评估待测透镜(4)的光学加工质量：

透镜球差校正不足时，焦前和焦后焦斑衍射像不同：焦前的衍射像有明锐的、轮廓清晰的光环，在焦后所有光环都是模糊的，在焦面上的焦斑直径大于理想值；

像散是由于光学元件对光轴倾斜、定中不准确或元件表面有不规则的面形误差时引起，焦斑衍射像在焦点前后呈椭圆形，在焦深处呈十字形；

慧差是由于离轴引起，焦斑衍射像光能分布不均匀，同一衍射环的亮度和宽度不均匀，光能分布出现明亮的头部，在一侧残留断裂的衍射环。

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