CN101493376A - 五棱镜组合超长焦距测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种五棱镜组合超长焦距测量方法与装置。本发明将五棱镜定焦法与组合透镜超长焦距测量技术相融合，实现大口径透镜的低成本、高精度超长焦距测量。本发明通过五棱镜将光路折转，把光轴方向的定焦过程转化为垂直光轴方向成像位置变化量的测量过程，进一步与组合透镜超长焦距测量技术相结合，压缩光路长度，增强测量分辨力。本发明的测量装置，包括光源、五棱镜、参考透镜、对准目标、CCD探测器、准直镜，具有光路结构简单、光学部件引入的像差小，系统误差小、测量灵敏度高、抗环境干扰能力强的优点，可用于超长焦距透镜的检测与光学系统装配过程中的高精度焦距测量。

Description

五棱镜组合超长焦距测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于超长焦距透镜的检测与光学系统装配过程中的高精度焦距测量。

技术背景

近年来，超长焦距透镜广泛应用于高能激光器、天文望远镜等大型光学系统领域，此类大尺寸透镜的加工、检测与装配具有很高的难度。作为超长焦距透镜的重要参数，其焦距测量一直是光学测量领域的一个难点，主要因素在于：焦深长，难以实现精确定焦；焦距长，难以精密测长；光路长，测量容易受到环境干扰。

由于上述因素的影响，传统的定焦方法难以实现超长焦距的高精度测量。例如五棱镜法，采用平移五棱镜过程中光线会聚点的位置变化量作为判据，判断透镜出射光的平行性，从而实现定焦。但由于超长焦距透镜的焦深很长，因此测量敏感度低。如图1所示，在长达十几米至几十米的测量光路中，轻微的环境扰动就能造成会聚点位置的波动，因此无法利用亚像元超分辨技术等高精度信号处理方法，难以进一步提高测量精度。

针对超长焦距测量技术，国内学者提出了新的测量方法，发表的文献主要包括：《中国测试技术》的《泰伯-莫尔法测量长焦距系统的焦距》；《光子学报》的《Ronchi光栅Talbot效应长焦距测量的准确度极限研究》。此类技术主要采用了泰伯-莫尔法，利用Ronchi光栅、Talbot效应实现定焦，通过数字信号处理技术测量焦距。该类测量方法的灵敏度相比传统方法有所提高，但光路长、测量过程复杂、需测量的参数多。

相比较国外的长焦距测量技术，在《The Optical Society ofAmerica》中2002年发表的《Focal length measurements for the NationalIgnition Facility large lenses》中，采用了菲索干涉组合透镜超长焦距测量技术进行长焦距测量，并达到很高的测量精度。该测量方法利用组合透镜方法减小了光路长度、简化了测量过程。但此方法测量过程中，采用干涉条纹定焦，干涉图案易受温度、气流、振动等环境状态因素的干扰，对测量环境提出了苛刻的要求。

以上几种新型测量方法中，需要配备与被测透镜尺寸相当的大口径菲索干涉仪或Ronchi光栅作为核心器件，这导致测量系统的成本高、结构复杂。相比之下，若采用五棱镜定焦法实现大口径焦距测量系统，其成本低、结构简单，而进一步与组合透镜超长焦距测量技术相结合，则可以克服五棱镜法在超长焦距测量中定焦灵敏度低、易受气流扰动影响的弊端。迄今为止，将该两项技术相融合应用于定焦，继而实现高精度超长焦距测量，尚未见报道。

发明内容

本发明的第一个目的是为了实现大口径、超长焦距透镜的高精度、低成本焦距测量，通过五棱镜将光路折转，把光轴方向的定焦过程转化为垂直光轴方向成像位置变化量的测量过程，进一步与组合透镜超长焦距测量技术相结合，压缩光路长度，增强测量分辨力，而提供一种五棱镜组合超长焦距测量方法。

本发明的第二个目的是为实现五棱镜组合超长焦距测量方法而提出一种五棱镜组合超长焦距测量装置

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的五棱镜组合超长焦距测量方法，其步骤包括：

(a)测量开始前，调整测量光路，使对准目标的出射光经过参考透镜会聚、五棱镜折转后，通过准直镜在CCD探测器上成像。

(b)测量过程中，首先使对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移动，移动到新的扫描位置时，通过判断在光轴垂直方向平移五棱镜的过程中，若CCD探测器上对准目标的成像位置未发生变化，则对准目标的位置与参考透镜第二焦点位置重合；

(c)而后，将被测透镜置入五棱镜与参考透镜之间，并与参考透镜共轴，再次使对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移动，并通过判断在光轴垂直方向平移五棱镜的过程中，若CCD探测器上对准目标的成像位置未发生变化，则对准目标的位置与被测透镜、参考透镜组合后的第一焦点位置相重合；

(c)而后，测量第一焦点位置与第二焦点位置之间的距离Δ，测量被测透镜与参考透镜的间距d₀，由下式计算被测透镜与参考透镜的主平面间距d：

$d=d_0+\frac{r_{12}{b}_1}{n_1(r_{12}-r_{11})+(n_1-1)b_1}-\frac{r_{21}{b}_2}{n_2(r_{22}-r_{21})+(n_2-1)b_2}$

已知参数包括被测透镜的厚度b₁、折射率n₁、曲率半径r₁₁、r₁₂，参考透镜的焦距f′₂、厚度b₂、折射率n₂、曲率半径r₂₁、r₂₂；

(d)最后，由下式计算被测透镜的焦距值：

${f_1}^{\′}=\frac{1-\frac{d}{{f_2}^{\′}}+\frac{d}{{f_2}^{\′}-\mathrm{\Δ}}}{\frac{1}{{f_2}^{\′}-\mathrm{\Δ}}-\frac{1}{{f_2}^{\′}}}.$

本发明的五棱镜组合超长焦距测量方法，还可以在测量过程中通过滤光镜滤除环境杂散光，提高测量的抗干扰能力。

本发明的五棱镜组合超长焦距测量方法，还可以在测量过程中使用亚像元超分辨技术处理CCD探测器的信号，提高本测量方法的灵敏度。

本发明的五棱镜组合超长焦距测量方法中，所述的被测透镜可置于参考透镜前，也可置于参考透镜后。

本发明的五棱镜组合超长焦距测量装置，包括光源、五棱镜、参考透镜、对准目标、CCD探测器、准直镜；其中对准目标、参考透镜、五棱镜依次放在光源的光线出射方向，光线经五棱镜折转后透过准直镜在CCD探测器上成像；对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移动，并配合五棱镜、CCD探测器实现第一焦点位置与第二焦点位置的定焦。

本发明的五棱镜组合超长焦距测量装置，还可以包括滤光镜，放置于五棱镜与准直镜之间，用于滤除环境杂散光，提高测量装置的抗干扰能力。

本发明的五棱镜组合超长焦距测量装置中的CCD探测器可以是阵列式图像传感器，也可以是PSD位置传感器。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.首次将五棱镜定焦法与组合透镜超长焦距测量技术相融合，实现大口径透镜的低成本、高精度超长焦距测量。

2.与大口径干涉仪测量方法相比，采用成像位置变化量作为定焦判据，成像质量略差时，不影响成像位置变化量的测量，因此该测量方法对透镜像差的影响不敏感，由测量光路引入的像差对测量造成的误差小。

3.与大口径干涉仪或Ronchi光栅测量方法相比，本发明的光学部件少，引入的测量系统误差少，光路结构简单，成本低廉。

4.采用组合透镜超长焦距测量技术，压缩了测量光路长度，减小了焦深，提高了定焦测量分辨力，减小了环境扰动对测量精度的影响。

5.采用亚像元超分辨技术相配合，在超长焦距测量中对CCD像元进行超分辨细分，利用软件方法进一步提高了CCD探测器分辨力，增强定焦灵敏度。

附图说明

图1为空气扰动影响传统五棱镜法测量精度的原理示意图；

图2为本发明测量方法与装置的示意图；

图3为本发明实施例的示意图；

图4为实施例测量步骤(a)的定焦原理示意图；

图5为实施例测量过程中CCD摄像机图像的示意图；

图6为实施例测量步骤(b)的定焦原理示意图；

其中：1-滤光镜、2-五棱镜、3-被测透镜、4-间距d₀、5-参考透镜、6-第一焦点位置、7-距离Δ、8-第二焦点位置、9-对准目标、10-光源、11-CCD探测器、12-准直镜、13-平移台、14-量块、15-连杆、16-平移台、17-平移台、18-第一次测量离焦量、19-狭缝像、20-第二次测量离焦量。

具体实施方式

下面以口径300mm焦距30000mm的被测超长焦距透镜作为被测透镜，结合附图对本发明作进一步说明。

此实施例通过一系列的措施实现了超长焦距的高精度测量，实现了五棱镜组合超长焦距测量方法与装置。与传统测量方法相比，本实施例的相对测量误差可达0.02％左右，具有更高的超长焦距测量精度；相比干涉组合透镜超长焦距测量方法本实施例不需要购买百万元的300mm大口径干涉仪构建测试装置，只需加工一片300mm焦距的参考透镜，并借助平移台及五棱镜等日常光学实验装置即可完成高精度测量装置的构建。

本发明的基本思想是利用差动共焦定焦原理在大焦深情况下实现高精度定焦，同时融合组合透镜法减小测量光路长度，进一步降低环境对测量精度的影响。

实施例

如图2所示，一种五棱镜组合超长焦距测量方法，其测量步骤是：

(a)使用近红外1064μm激光器照射一条狭缝作为对准目标9，出射光经过参考透镜5会聚、五棱镜2折转后，通过准直镜12在CCD探测器11上成像，此时平移台13带动对准目标9在参考透镜5的光轴方向扫描移动，每移动到新的扫描位置时，则通过平移五棱镜2判断是否与第二焦点位置8重合。

判断方法如下：如图4所示，当狭缝对准目标9的扫描位置与第二焦点位置8之间存在离焦量18时，通过平移台17带动五棱镜2向CCD探测器11方向平移，则狭缝在CCD探测器11表面的图像会发生水平左移(如图5所示)，则可判断出参考透镜5的出射光为会聚光，还可判断出狭缝对准目标9与第二焦点位置8之间不互相重合。通过不断调节对准目标9的位置，可不断逼近第二焦点位置8，当CCD探测器11上对准目标9的成像位置不发生变化时，则对准目标9与第二焦点位置8重合。

(b)将被测透镜3置入五棱镜2与参考透镜5之间，并与参考透镜5共轴，再次通过平移台13带动对准目标9在参考透镜5的光轴方向扫描移动，移动到新的扫描位置时，则通过平移五棱镜2判断是否与第二焦点位置8重合。

判断方法如下：如图6所示，当狭缝对准目标9的扫描位置与第一焦点位置6之间存在第二离焦量20时，通过平移台17带动五棱镜2向CCD探测器11方向平移，则狭缝在CCD探测器11表面的图像位置会发生水平左移(如图5所示)，则可判断出被测透镜3的出射光为会聚光，还可判断出狭缝对准目标9与第一焦点位置6之间不互相重合。通过不断调节对准目标9的位置，可不断逼近第一焦点位置6，当CCD探测器11上对准目标9的成像位置不发生变化时，则对准目标9与第一焦点位置6重合。

(c)平移台13带动对准目标9在光轴方向移动，利用平移台13内部的光栅测长装置可测量出第一焦点位置6与第二焦点位置8之间移动的距离Δ7；

(d)平移台16通过连杆15与量块14连接，并带动量块14在光轴向方向移动，分别触碰被测透镜3的后表面与参考透镜5的前表面，两次触碰过程中导轨的在光轴方向的移动距离加上量块14的厚度，可得出被测透镜3与参考透镜5的间距d₀4；

(e)将以上步骤的测量结果代入下式，可计算被测透镜3与参考透镜5的主平面间距d：

$d=d_0+\frac{r_{12}{b}_1}{n_1(r_{12}-r_{11})+(n_1-1)b_1}-\frac{r_{21}{b}_2}{n_2(r_{22}-r_{21})+(n_2-1)b_2}$

其中已知参数还包括被测透镜3的设计参数：厚度b₁、折射率n₁、曲率半径r₁₁、r₁₂，参考透镜5的设计参数：焦距f′₂、厚度b₂、折射率n₂、曲率半径r₂₁、r₂₂；

(f)最后由下式计算被测透镜3的焦距值：

${f_1}^{\′}=\frac{1-\frac{d}{{f_2}^{\′}}+\frac{d}{{f_2}^{\′}-\mathrm{\Δ}}}{\frac{1}{{f_2}^{\′}-\mathrm{\Δ}}-\frac{1}{{f_2}^{\′}}}.$

上述五棱镜组合超长焦距测量方法，在测量过程中还使用了亚像元超分辨技术，将CCD探测器11的图像信号进行亚像元细分，提高本测量方法的灵敏度。

如图2所示，一种五棱镜组合超长焦距测量装置，其中光源10采用近红外1064μm激光光源，参考透镜5的焦距3000mm、口径200mm，对准目标9采用狭缝目标、CCD探测器11为像元尺寸4×4μm的数字面阵CCD探测器、准直镜12焦距500mm。

上述测量装置中狭缝对准目标9、参考透镜5、五棱镜2依次放在激光光源10的激光出射方向，光线经五棱镜2折转后透过准直镜12在CCD探测器11上成像；平移台13带动对准目标9在参考透镜5的光轴方向扫描移动，并配合五棱镜2、CCD探测器11实现第一焦点位置6与第二焦点位置8的定焦。

上述测量装置中平移台16通过连杆15与量块14连接，并带动量块14在光轴向方向移动，用于测量被测透镜3与参考透镜5的间距d₀4。

上述测量装置中还包括可见光截止滤光镜1，该滤光镜放置于五棱镜2与准直镜12之间，用于滤除可见光及环境杂散光、透过近红外激光，提高测量装置的抗干扰能力。

当间距d₀＝500mm、参考透镜8的焦距f₂′＝3000mm、口径200mm，被测焦距f₁≈30000mm、准直镜焦距500mm、CCD像元尺寸为4×4μm时，焦距测量系统的误差为±6.1mm，其相对测量误差：

$\mathrm{\δf}=\frac{\mathrm{\δ}{f}_1}{f_1}=\±\frac{6.1}{30000}\×100\%\≈\±0.02\%$

此实施例通过一系列的措施实现了超长焦距的高精度测量，实现了五棱镜组合超长焦距测量方法与装置，与传统焦距测量方法相比，具有更高的测量精度。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.五棱镜组合超长焦距测量方法，其特征在于测量步骤包括

(a)测量开始前，调整测量光路，使对准目标的出射光经过参考透镜会聚、五棱镜折转后，通过准直镜在CCD探测器上成像；

(b)测量过程中，首先使对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移动，移动到新的扫描位置时，通过判断在光轴垂直方向平移五棱镜的过程中，若CCD探测器上对准目标的成像位置未发生变化，则对准目标的位置与参考透镜第二焦点位置重合；

(c)而后，将被测透镜置入五棱镜与参考透镜之间，并与参考透镜共轴，再次使对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移动，并通过判断在光轴垂直方向平移五棱镜的过程中，若CCD探测器上对准目标的成像位置未发生变化，则对准目标的位置与被测透镜、参考透镜组合后的第一焦点位置相重合；

(c)而后，测量第一焦点位置与第二焦点位置之间的距离Δ，测量被测透镜与参考透镜的间距d₀，由下式计算被测透镜与参考透镜的主平面间距d：

$d=d_0+\frac{r_{12}{b}_1}{n_1(r_{12}-r_{11})+(n_1-1)b_1}-\frac{r_{21}{b}_2}{n_2(r_{22}-r_{21})+(n_2-1)b_2}$

已知参数包括被测透镜的厚度b₁、折射率n₁、曲率半径r₁₁、r₁₂，参考透镜的焦距f₂′、厚度b₂、折射率n₂、曲率半径r₂₁、r₂₂；

(d)最后，由下式计算被测透镜的焦距值：

${f_1}^{\′}=\frac{1-\frac{d}{{f_2}^{\′}}+\frac{d}{{f_2}^{\′}-\mathrm{\Δ}}}{\frac{1}{{f_2}^{\′}-\mathrm{\Δ}}-\frac{1}{{f_2}^{\′}}}.$

2.根据权利1所述的五棱镜组合超长焦距测量方法，其特征在于：还可以在测量过程中，通过滤光镜滤除环境杂散光，提高测量的抗干扰能力。

3.根据权利1所述的五棱镜组合超长焦距测量方法，其特征在于：还可以在测量过程中使用亚像元超分辨技术处理CCD探测器的信号，提高本测量方法的灵敏度。

4.根据权利1所述的五棱镜组合超长焦距测量方法，其特征在于：所述的被测透镜可置于参考透镜前，也可置于参考透镜后。

5.五棱镜组合超长焦距测量装置，包括光源，其特征在于：还包括五棱镜、参考透镜、对准目标、CCD探测器、准直镜；其中对准目标、参考透镜、五棱镜依次放在光源的光线出射方向，光线经五棱镜折转后透过准直镜在CCD探测器上成像；对准目标、在参考透镜、的光轴方向扫描移动，并配合五棱镜、CCD探测器、实现第一焦点位置与第二焦点位置的定焦。

6.根据权利5所述的五棱镜组合超长焦距测量装置，其特征在于：还可以包括滤光镜，放置于五棱镜与准直镜之间，用于滤除环境杂散光，提高测量装置的抗干扰能力。

7.根据权利5所述的五棱镜组合超长焦距测量装置，其特征在于：CCD探测器可以是阵列式图像传感器，也可以是PSD位置传感器。

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