CN101852676B - 多焦全息差动共焦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，涉及一种多焦全息差动共焦超长焦距测量方法与装置。该方法先利用差动共焦系统对多焦全息透镜的长焦距值进行校准，减小测量的系统误差；然后利用差动共焦响应曲线过零点时被测超长焦距透镜焦点与多焦全息透镜一阶焦点相重合的特性，实现对超长焦距透镜焦距的测量。装置包括点光源、第一分光镜、准直透镜、多焦全息透镜和差动共焦系统；其中第一分光镜、准直透镜和多焦全息透镜依次放在光线的出射方向，差动共焦系统放置在第一分光镜的反射方向，多焦全息透镜和第一分光镜将光束反射至差动共焦系统，并配合差动共焦系统实现对由被测超长焦距透镜出射的差动共焦光锥顶点的精确定位。具有被测件移动距离小、测量精度高、测量速度快、抗环境干扰能力强等优点，可用于超长焦距的高精度测量。

Description

多焦全息差动共焦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超长焦距测量。

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：数值孔径小、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。由于以上原因，放大率法或五棱镜法等传统的定焦方法难以实现超长焦距的高精度测量。

针对超长焦距测量，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 of America》中2002年发表的《Focal length measurements for the National Ignition 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。

以上几种测量方法的共性还在于：其评价尺度都是基于垂轴方向的图像信息。由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，如果能够选取一种轴向信息作为评价尺度，则可以进一步提高焦距测量的灵敏度。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，灵敏度高于垂轴方向的评价方法，并且由于采用光强作为数据信息，相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力。例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利申请号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗扰动能力。

目前，已有将差动共焦技术直接应用于定焦，继而实现超长焦距测量的报道。例如中国专利“差动共焦组合超长焦距测量方法与装置”(专利申请号：200810226966)，其首次提出了利用差动共焦响应曲线过零点时对应物镜焦点的特性进行两次定焦，将差动共焦显微原理扩展到超长焦距测量领域，形成差动共焦定焦原理，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点。

本发明“多焦全息差动共焦超长焦距测量方法与装置”与专利“差动共焦组合超长焦距测量方法与装置”相比较，使用多焦全息透镜结合差动共焦技术，进一步减小了测量光路长度，并增强了抗环境干扰的能力；且一次定焦即可完成超长焦距的测量，减少了定焦次数，提高了测量精度，具有测量精度更高、抗环境干扰能力更强的优点。

发明内容

本发明的目的是为了解决小数值孔径、超长焦距透镜的高精度测量的问题，提出一种利用差动共焦响应曲线过零点时被测超长焦距透镜焦点与多焦全息透镜一阶焦点相重合的特性，实现了对超长焦距透镜焦距的测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种多焦全息差动共焦超长焦距测量方法，包括以下步骤：

(a)调整被测超长焦距透镜和多焦全息透镜，使其与准直透镜共光轴；

(b)然后，打开点光源，其发出的光经第一分光镜、准直透镜和被测超长焦距透镜后，照射在多焦全息透镜表面，经多焦全息透镜表面反射，再次通过被测超长焦距透镜和准直透镜，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；

(c)移动多焦全息透镜，使其沿光轴方向进行扫描，通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜一阶焦点相重合，此时被测超长焦距透镜到多焦全息透镜的距离为d；

(d)根据多焦全息透镜一阶焦距f′₁，计算被测超长焦距透镜的焦距：f′＝f′₁+d。

本发明所述的测量方法，还可以对多焦全息透镜的一阶焦距进行校准：首先将被测超长焦距透镜替换为标准透镜；移动多焦全息透镜，使其沿光轴方向进行扫描，通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜n阶焦点相重合；继续沿光轴方向移动多焦全息透镜，再次通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜前表面相重合，此时多焦全息透镜移过的距离即为多焦全息透镜n阶焦距f′_n，测得多焦全息透镜一阶焦距：f′₁＝nf′_n。

本发明还提供了一种多焦全息差动共焦超长焦距测量装置，包括点光源，还包括第一分光镜、准直透镜、多焦全息透镜和差动共焦系统；其中第一分光镜、准直透镜和多焦全息透镜依次放在光线的出射方向，差动共焦系统放置在第一分光镜的反射方向，多焦全息透镜和第一分光镜将光束反射至差动共焦系统，并配合差动共焦系统实现对由被测超长焦距透镜出射的差动共焦光锥顶点的精确定位。

其装置还可以包括主控计算机、机电控制装置和纵向平移台；主控计算机通过机电控制装置控制纵向平移台推动多焦全息透镜沿光轴方向进行扫描。

其装置还可以包括横向平移台；被测超长焦距透镜固定横向平移台上；移动横向平移台推动被测超长焦距透镜沿垂直光轴方向进行扫描，测得被测超长焦距透镜不同区域焦距。

其装置中所述差动共焦系统可以包括第二分光镜、第一光强传感器和第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光进入差动共焦系统，由第二分光镜将光线分成两路，一路照射在位于焦前的第一光强传感器上，另一路照射在位于焦后的第二光强传感器上。

其装置中所述差动共焦系统还可以包括第二分光镜、焦前针孔、焦后针孔、第一光强传感器和第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光进入差动共焦系统，由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦前针孔后，照射在第一光强传感器上，另一路通过焦后针孔后，照射在第二光强传感器上。

其装置中所述差动共焦系统还可以包括第二分光镜、焦前显微物镜、焦后显微物镜、第一光强传感器和第二光强传感器；其中焦前显微物镜的物平面位于焦前，在其像平面放置第一光强传感器，焦后显微物镜的物平面位于焦后，在其像平面放置第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光进入差动共焦系统，由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦前显微物镜成像在第一光强传感器上，另一路通过焦后显微物镜成像在第二光强传感器上。

其装置还可以包括主控计算机和AD采集模块；主控计算机通过AD采集模块获取差动共焦系统中的光强传感器采集的差动共焦信号。

其装置中所述差动共焦系统还可以替换为共焦系统。

有益效果：

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1.使用多焦全息透镜结合差动共焦技术，显著减小了测量光路长度，降低了环境对焦距测量精度的影响。

2.多焦全息透镜的参数可以自校准，减小了测量的系统误差。

3.差动共焦定焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，本专利提出在超长焦距测量过程中，配合差动共焦定焦原理进行光强调制与滤波，排除空气扰动等环境干扰对测量精度的影响，相比以图像、干涉条纹作为定焦判据的焦距测量方法具有更高的稳定性。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.测量过程中，一次定焦实现对超长焦距的测量，减小多次定焦带来的误差，显著提高了测量精度。

2.测量光路紧凑，有效降低了环境扰动对测量精度的影响。

3.差动工作方式可以削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响。

4.利用差动共焦系统高轴向分辨能力显著提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明多焦全息差动共焦超长焦距测量方法的示意图；

图2为本发明多焦全息透镜多阶焦点的示意图；

图3为本发明多焦全息差动共焦超长焦距测量装置的示意图；

图4为本发明直接进行探测的差动共焦装置的示意图；

图5为本发明运用针孔探测的差动共焦装置的示意图；

图6为本发明运用显微物镜探测的差动共焦装置的示意图；

图7为本发明多焦全息差动共焦超长焦距测量实施例的示意图；

图8为本发明多焦全息透镜一阶焦距校准的示意图；

其中：1-点光源、2-第一分光镜、3-准直透镜、4-被测超长焦距透镜、5-多焦全息透镜、6-多焦全息透镜一阶焦点、7-第二分光镜、8-焦前针孔、9-第一光强传感器、10-焦后针孔、11-第二光强传感器、12-差动共焦系统、13-多焦全息透镜n阶焦点、14-点光源发生装置、15-横向平移台、16-纵向平移台、17-机电控制装置、18-主控计算机、19-AD采集模块、20-焦前显微物镜、21-焦后显微物镜、22-图像采集卡、23-光纤、24-激光器、25-CCD探测器、26-CCD探测器、27-已知长度测杆、28-标准透镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明使用多焦全息透镜结合差动共焦技术，其基本思想是利用差动共焦响应曲线过零点时被测超长焦距透镜焦点与多焦全息透镜一阶焦点相重合的特性，实现对超长焦距透镜焦距的测量。

实施例1

当被测超长焦距透镜4是10m焦距的凸透镜时，如图7所示，差动共焦超长焦距测量装置，其测量步骤是：

首先，使用焦距为1200mm标准透镜28对多焦全息透镜5一阶焦距进行校准，如图2所示，已知多焦全息透镜5一阶焦距为f′₁，此外还具有多个高阶焦点，分别处于±f′₁/3、±f′₁/5、±f′₁/7、±f′₁/9等位置，各个焦点对应的焦距值具有线性关系。如图8所示，校准步骤如下：

(a)启动主控计算机18中的测量软件，打开激光光源24，激光光源24所发出的激光经光纤23传输后形成点光源1。点光源1发出的光经第一分光镜2、准直透镜3和标准透镜28后形成差动共焦光锥射到多焦全息透镜5表面，由多焦全息透镜5反射的光经第一分光镜2反射后进入差动共焦系统15中。调整标准透镜28和多焦全息透镜5，使其与准直透镜3共光轴；

(b)移动多焦全息透镜5，使其沿光轴方向进行扫描，通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜9阶焦点13相重合，此时多焦全息透镜5的位置记为A；

(c)继续沿光轴方向移动多焦全息透镜5，再次通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜5前表面相重合，此时多焦全息透镜5的位置记为B，位置A、B之间的距离即为多焦全息透镜5的9阶焦距f⁽⁹⁾′，测得f⁽⁹⁾′＝1000mm；

(d)计算多焦全息透镜5一阶焦距：f′₁＝9f⁽⁹⁾′＝9×1000mm＝9000mm。

然后，用被测超长焦距透镜4替换标准透镜28，测量被测超长焦距透镜4的焦距，如图7所示，步骤如下：

(a)调整被测超长焦距透镜4和多焦全息透镜5，使其与准直透镜3共光轴；

(b)将长度l＝500mm的测杆29置于被测超长焦距透镜4和多焦全息透镜5之间，移动多焦全息透镜5使测杆一端紧靠被测超长焦距透镜4中心，另一端紧靠多焦全息透镜5中心，此时被测超长焦距透镜4距和多焦全息透镜5的距离为l＝500mm，撤去测杆29；

(c)移动多焦全息透镜5，使其沿光轴方向进行扫描，通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜正一阶焦点6相重合，记录多焦全息透镜5移过的距离d＝500mm；

(d)根据多焦全息透镜5一阶焦距f′₁＝9000mm，计算被测超长焦距透镜4的焦距：f′＝f′₁+l+d＝10000mm；

(e)移动横向平移台15，推动被测超长焦距透镜4沿垂直光轴方向进行扫描，测得被测超长焦距透镜4不同区域焦距。

由上述步骤可以看出，测量光路总长度L＝l+d＝1000mm时即可测量焦距为10m的超长焦距透镜的焦距，显著减小了测量光路长度。

如图7所示，差动共焦超长焦距测量装置，包括点光源发生装置14，依次放在点光源1出射光方向的第一分光镜2、准直透镜3和多焦全息透镜5，还包括放置在第一分光镜2反射方向的如图5所示的运用针孔探测的差动共焦系统12；其中被测超长焦距透镜4将由准直透镜3出射的平行光束会聚后照射在多焦全息透镜5的表面上，多焦全息透镜5将光束反射后沿原光路返回，经第一分光镜2将光束反射至差动共焦系统12中的第二分光镜7；第二分光镜7将光线分成两路，反射光经过焦后针孔10后照明CCD探测器26，透射光经过焦前针孔8后照明CCD探测器25；图像采集卡22采集CCD探测器25、CCD探测器26探测得到的模拟信号并转换成数字信号，传输给主控计算机18，主控计算机18将从CCD探测器25和CCD探测器26采回的两路信号进行处理获得差动共焦信号。

主控计算机18与机电控制装置17连接，使其驱动纵向平移台16带动多焦全息透镜5沿光轴方向进行扫描。

实施例2

当被测超长焦距透镜4是10m焦距的凹透镜时，与实施例1不同的是，所选多焦全息透镜的一阶焦距应大于10m。多焦全息透镜的校准步骤与实施例1相同。在测量步骤(c)中沿光轴方向扫描多焦全息透镜，通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜负一阶焦点相重合。其余测量步骤与实施例1相同。

实施例3

与实施例1或实施例2不同的是，所述运用针孔探测的差动共焦系统12还可以替换成如图4所示的直接进行探测的差动共焦系统，该系统包括第二分光镜7、第一光强传感器9和第二光强传感器11；由第一分光镜2反射回来的光进入差动共焦系统12，由第二分光镜7将光线分成两路，一路照射在位于焦前的第一光强传感器9上，另一路照射在位于焦后的第二光强传感器11上；其中第一光强传感器9可具体化为CCD探测器25，第二光强传感器11可具体化为CCD探测器26，后续测量过程如实施例1或实施例2所述。

实施例4

与实施例1或实施例2不同的是，所述运用针孔探测的差动共焦系统12还可以替换成如图6所示的运用显微物镜探测的差动共焦系统，该系统包括第二分光镜7、焦前显微物镜20、焦后显微物镜21、第一光强传感器9和第二光强传感器11；其中焦前显微物镜20的物平面位于焦前，在其像平面放置第一光强传感器9，焦后显微物镜21的物平面位于焦后，在其像平面放置第二光强传感器11；由第一分光镜2反射回来的光进入差动共焦系统12，由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦前显微物镜20成像在第一光强传感器上，另一路通过焦后显微物镜21成像在第二光强传感器上；其中第一光强传感器9可具体化为CCD探测器25，第二光强传感器11可具体化为CCD探测器26，后续测量过程如实施例1或实施例2所述。

此实施例通过一系列的措施实现了对被测超长焦距透镜4焦距的测量，在测量过程中一次定焦，且测量光路显著减短，提高了系统的测量精度及抗环境干扰的能力。

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.多焦全息差动共焦超长焦距测量方法，其特征在于：

(1)首先，利用标准透镜对多焦全息透镜的一阶焦距进行校准，其校准步骤包括：

(a)打开点光源，其发出的光经第一分光镜、准直透镜和标准透镜后，照射在多焦全息透镜表面，经多焦全息透镜表面反射，再次通过标准透镜和准直透镜，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；

(b)调整标准透镜和多焦全息透镜，使其与准直透镜共光轴；

(c)移动多焦全息透镜，使其沿光轴方向进行扫描，通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜n阶焦点相重合；

(d)继续沿光轴方向移动多焦全息透镜，再次通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜前表面相重合，此时多焦全息透镜移过的距离即为多焦全息透镜n阶焦距f⁽ⁿ⁾′，测得多焦全息透镜一阶焦距：f′₁＝nf⁽ⁿ⁾′；

(2)将标准透镜替换为被测超长焦距透镜，调整被测超长焦距透镜和多焦全息透镜，使其与准直透镜共光轴；

(3)继而，点光源发出的光经第一分光镜、准直透镜和被测超长焦距透镜后，照射在多焦全息透镜表面，经多焦全息透镜表面反射，再次通过被测超长焦距透镜和准直透镜，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；

(4)移动多焦全息透镜，使其沿光轴方向进行扫描，通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜一阶焦点相重合，此时被测超长焦距透镜到多焦全息透镜的距离为d；

(5)根据校准后的多焦全息透镜一阶焦距f′₁，计算被测超长焦距透镜的焦距：f′＝f′₁+d。

2.一种采用如权利要求1所述的方法的多焦全息差动共焦超长焦距测量装置，包括点光源，其特征在于：包括第一分光镜、准直透镜、多焦全息透镜、差动共焦系统、主控计算机、机电控制装置和纵向平移台；其中第一分光镜、准直透镜、被测超长焦距透镜和多焦全息透镜依次放在光线的出射方向，差动共焦系统放置在第一分光镜的反射方向，多焦全息透镜和第一分光镜将光束反射至差动共焦系统，主控计算机通过机电控制装置控制纵向平移台推动多焦全息透镜沿光轴方向进行扫描，并配合差动共焦系统实现对由被测超长焦距透镜出射的差动共焦光锥顶点的精确定位。

3.根据权利要求2所述的多焦全息差动共焦超长焦距测量装置，其特征在于：包括横向平移台；被测超长焦距透镜固定横向平移台上；移动横向平移台 推动被测超长焦距透镜沿垂直光轴方向进行扫描，测得被测超长焦距透镜不同区域焦距。

4.根据权利要求2或3所述的多焦全息差动共焦超长焦距测量装置，其特征在于：所述差动共焦系统包括第二分光镜、第一光强传感器和第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光进入差动共焦系统，由第二分光镜将光线分成两路，一路照射在位于焦前的第一光强传感器上，另一路照射在位于焦后的第二光强传感器上。

5.根据权利要求2或3所述的多焦全息差动共焦超长焦距测量装置，其特征在于：所述差动共焦系统包括第二分光镜、焦前针孔、焦后针孔、第一光强传感器和第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光进入差动共焦系统，由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦前针孔后，照射在第一光强传感器上，另一路通过焦后针孔后，照射在第二光强传感器上。

6.根据权利要求2或3所述的多焦全息差动共焦超长焦距测量装置，其特征在于：所述差动共焦系统包括第二分光镜、焦前显微物镜、焦后显微物镜、第一光强传感器和第二光强传感器；其中焦前显微物镜的物平面位于焦前，在其像平面放置第一光强传感器，焦后显微物镜的物平面位于焦后，在其像平面放置第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光进入差动共焦系统，由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦前显微物镜成像在第一光强传感器上，另一路通过焦后显微物镜成像在第二光强传感器上。

7.根据权利要求2所述的多焦全息差动共焦超长焦距测量装置，其特征在于：包括AD采集模块；主控计算机通过AD采集模块获取差动共焦系统中的光强传感器采集的差动共焦信号。 

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