CN104111163B - 凸透镜焦距的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种凸透镜焦距的测量装置和测量方法，该装置由1053nm光纤点光源、激光测距仪、精密移动导轨、待测凸透镜、剪切干涉板、毛玻璃屏和CCD组成。利用CCD观察经透镜准直后输出光束在剪切干涉板形成的条纹图样，调节光纤点光源在精密移动导轨的移动方向及位置，最终使得1053nm点光源处于焦面位置，然后利用激光测距仪测量得到透镜焦距。本发明具有结构简单，调整方便，测量精度高的特点，并可利用测量过程中产生的横向剪切干涉条纹对凸透镜光学质量进行评估，为凸透镜装校和光学加工提供有价值的检测数据。

Description

凸透镜焦距的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及凸透镜，特别是一种凸透镜焦距的测量装置和测量方法。

背景技术

通常，高功率激光系统中具备大量不同口径空间滤波器和光束缩束系统，前者用于抑制非线性效应，提高系统安全运行通量，对高频信息进行滤波截止，保护激光工作介质；后者多用于光束成像传输和激光参数测量。空间滤波器和缩束光学系统核心光学元件为具备不同口径和焦距的光学凸透镜。焦距及其光学质量是光学凸透镜最基本的技术参数。

为了测量光学凸透镜的焦距，人们提出了多种测量技术，例如透镜自准法、物像成像法及共轭法等方法，但它们的测量精度仅为1-5‰，难于满足高功率激光系统红外波段(1053nm)焦距测量和使用要求。基于龙基光栅塔尔博塔效应的长焦距测量误差为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大，不能普遍适合高功率激光系统不同F数凸透镜焦距的测量需求。因此，需要研制高精度凸透镜焦距及其光学质量检测装置用于高功率激光系统凸透镜加工和装校，以简化凸透镜调整机构和装校方式，最终提高激光系统输出光束质量。

发明内容

本发明的目的是克服上述凸透镜焦距检测技术的不足，提出一种凸透镜焦距的测量装置和测量方法，该装置和方法具备结构简单，调整方便，测量精度高等特点，并可利用测量过程中产生的横向剪切干涉条纹对凸透镜光学质量进行评估，为凸透镜装校和光学加工提供有价值的检测数据。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种凸透镜焦距的测量装置，其特点在于：该装置由光纤点光源、激光测距仪、精密移动导轨、待测凸透镜镜架、剪切干涉板、毛玻璃屏和CCD组成，所述的点光源是纤芯直径为5.8μm光纤点光源，所述的光纤点光源和激光测距仪安装在同一调整架上，调整架具有整体升降、俯仰和左右移动调节机构，光纤点光源和激光测距仪的测量零点保证在与待测凸透镜的光轴垂直的同一平面内，所述调整架固定于前后平移精密移动导轨上，平移方向与待测透镜主轴平行，沿所述的光纤点光源输出的光束方向依次是所述的待测凸透镜镜架、剪切干涉板、毛玻璃屏和CCD，所述的剪切干涉板为45°放置反射式的楔形玻璃板，前表面镀半透半反膜，后表面镀全反膜。

所述的激光测距仪相对于光纤点光源在水平面左右方向间隔约为10～15mm。

利用上述的凸透镜焦距的测量装置测量凸透镜焦距的方法，该方法包括下列步骤：

①将待测凸透镜竖直地安装在所述的待测凸透镜镜架上，调节光纤点光源与透镜自准直；

②将经透镜准直的光束入射剪切干涉板，微调所述的剪切干涉板与入射光束的角度，通过CCD观察所述的毛玻璃屏上剪切干涉条纹图样；

③当剪切干涉条纹在毛玻璃屏上呈现发散特征时，光纤点光源沿透镜光轴向远离待测凸透镜的方向移动；当剪切干涉条纹在毛玻璃屏呈现汇聚特征时，光纤点光源沿透镜光轴向靠近待测凸透镜的方向移动；直到剪切干涉条纹呈现平行波光束特征时，不再移动；

④所述的光纤点光源与激光测距仪的测量零点始终保证在与待测透镜光轴垂直的同一平面内，利用激光测距仪多次采集光纤点光源与待测透镜间的距离，取平均值得到待测凸透镜焦距。

当红外感可视仪CCD观测到的剪切干涉条纹图样不具备平行直线条纹时，如呈现水平S性弯曲特征曲线时，表明准直光束存在小量初级球差；如条纹干涉场中心呈现椭圆条纹时，表明准直光束存在初级慧差；如两维方向干涉条纹都为直线条纹，但条纹数量不一致时，表明准直光束存在初级像散。

经凸透镜产生的近似平面波入射剪切干涉板时，剪切干涉板将复制被测波前并产生小量平移，得到原始波前和平移后剪切波前之间的干涉图样。干涉图样特征可高精度表征平面波质量和直观评估透镜光学质量及其像差特征。

本发明能够广泛应用到干涉计量和透镜加工质量评估领域，具有设备简单、高精度测量、干涉图样直观等特点。

附图说明

图1为利用剪切干涉测量凸透镜焦距的装置示意图；

图中：1－1053nm光纤点光源，2－激光测距仪，3－精密移动导轨，4－待测凸透镜，5－剪切干涉板，6－毛玻璃屏，7－CCD。

图2为CCD中观测到的剪切干涉条纹示意图；

图中左图条纹沿斜上方向倾斜，光束具有发散特征；中间图形条纹与基准线平行，光束是平行光束；右图条纹沿斜下方向倾斜，光束具有会聚特征。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

先请参阅图1，由图可见，本发明凸透镜焦距的测量装置，由光纤点光源1、激光测距仪2、精密移动导轨3、待测凸透镜镜架4、剪切干涉板5、毛玻璃屏6和CCD7组成，所述的点光源1是纤芯直径为5.8μm光纤点光源，所述的光纤点光源1和激光测距仪2安装在同一调整架上，调整架具有整体升降、俯仰和左右移动调节机构，光纤点光源1和激光测距仪2的测量零点保证在与待测凸透镜的光轴垂直的同一平面内，所述调整架固定于前后平移精密移动导轨3上，平移方向与待测透镜主轴平行，沿所述的光纤点光源1输出的光束方向依次是所述的待测凸透镜镜架4、剪切干涉板5、毛玻璃屏6和CCD7，所述的剪切干涉板5为45°放置反射式的楔形玻璃板，前表面镀半透半反膜，后表面镀全反膜。

所述的激光测距仪相对于光纤点光源在水平面左右方向间隔约为10～15mm。

本发明中利用1053nm激光光纤点光源放置于待测凸透镜焦点附近后，待测凸透镜出射近似平面波。使用具有合适剪切量的剪切干涉板对近似平面波进行干涉计量获得干涉条纹。干涉条纹图样实时显现平面波波面质量和凸透镜光学质量，并可准确确定待测凸透镜焦点、待测凸透镜焦距及显现其固有像差特征。

横向剪切干涉仪具备复制和平移原始波前的基本特征。附图2为毛玻璃屏观测到的原始波前和横向剪切波前的干涉示意图形。当入射波前为近似平面时，波前表示为W(x,y)，(x,y)为任意点P(x,y)的坐标位置。当波前在x方向有量值为S的剪切时，剪切波前的任意一点上的波前误差为W(x-S,y)。在P(x,y)点上，原始波前和剪切波前之间的波前差异ΔW(x,y)＝W(x,y)-W(x-S,y)。这样，在剪切干涉计量中，需要求得的量即为ΔW(x,y)。可以将波前误差ΔW(x,y)按照常规关系式表示为：

ΔW(x,y)＝nλ (1)

其中，n为干涉条纹的级次，λ为所用的波长。在形式下，上式的左边可以是其若干倍。当剪切量S极小并在理论上接近零时，波前差异的变化相对平移量的变化成微分形式，可写成为：

这样，在横向剪切干涉板中得到的信息是以角度度量的光线误差随着剪切量S趋于零，公式(2)会变得更精确。但随着剪切量S越接近零时，测量的灵敏度也会降低。因此，本发明针对1053nm激光波长选取了合适的剪切量S，保证大型激光装置中透镜焦距测量过程具有高灵敏度性，实验测量精度可达0.2‰。

在凸透镜焦点附近放置1053nm光纤点光源时，光束经待测凸透镜准直后出射一个曲率半径很大的微凸(发散)或微凹(汇聚)的球面波前。球面波前以离焦像差为主要特征，其可以表示为：

W(x,y)＝D(x²+y²) (3)

系数D表示误差的幅值，通常以波长数给出。当球面波前在x方向进行横向剪切(剪切量为S)，且复制波前相对于原始波前存在一个定量的倾斜时，即离焦和波前倾斜同时存在条件下，剪切波前产生的光程差表示为：

ΔW(x,y)＝2DxS+Ey＝nλ (4)

式中，E为剪切波前和原始波前之间的倾斜角。上述公式表示得到的干涉条纹为既不平行于x轴也不平行于y轴的直线条纹。只有当系数D或E为零时，条纹会平行于x轴或y轴。在上述情况下，检验的球面波前即使很小的离焦也可以被观察到，并可以精确判定球面波前的发散和汇聚特征。实验中，可依据干涉条纹于剪切方向的夹角计算离焦像差数据，并通过精密移动导轨和测距仪准确测量凸透镜焦点位置。在实际应用中，我们设计和加工完成的剪切干涉仪测量透镜焦距测量精度可达0.2‰。

根据上述横向剪切干涉原理，在设计和使用中，剪切平板楔角方向与剪切方向相垂直。如当被检光束为理想平行光源时，则干涉条纹平行于剪切方向；如果被检光束为会聚或发散的球面波前，则条纹将发生旋转，如说明书附图2所示：图2(a)为发散时其干涉条纹，图2(b)为平行时其干涉条纹，图2(c)为汇聚时其干涉条纹。

另外，若入射波前携带其他像差，则剪切干涉条纹不再是直条纹，对应不同的像差类型，条纹形态会发生相应的变化。因此，可依据条纹形状定性分析波前相差的类型及幅度，判定透镜固有其它像差如初级球差、初级慧差和初级像散等特征。

光束准直度的判读：观察干涉条纹接收屏条纹的倾斜方向，若条纹与基准线平行，则光束是准直的，表明为平行光束；若条纹沿斜上方向倾斜，则光束是发散的；若条纹沿斜下方向倾斜，则光束是会聚的。当光束不平行时，通过测量条纹相对于基准线的转角，可推算出光束的发散角。计算方法如下式所示：

其中R为波面的曲率半径(当光束为平行光时，曲率半径为无穷大)；Δθ为光束发散角；D为入射光束口径；S为剪切量(常数，取决于剪切板厚度)；θ为剪切条纹与水平参考线之间的倾角；n为剪切板材料的折射率；β为剪切板的楔角。

实施例1：

如图1所示：本发明凸透镜焦距测量装置依次由1053nm光纤点光源1、激光测距仪2、精密移动导轨3、待测凸透镜4、剪切干涉板5、毛玻璃屏6和CCD7组成：

所述的点光源1是纤芯直径为5.8μm光纤点光源；

所述的光纤点光源1和激光测距仪2安装在同一调整架上，调整架具有整体升降、俯仰和左右移动调节机构。光纤点光源1和激光测距仪2的测量零点保证在与待测透镜光轴垂直的同一平面内。

所述调整架固定于前后平移一维精密移动导轨3上，平移方向与待测透镜主轴平行；

所述的光纤点光源1输出的光束方向依次是所述的待测凸透镜镜架4、剪切干涉板5、毛玻璃屏6和CCD7。

所述的剪切干涉板为45°放置反射式的楔形玻璃板，前表面镀半透半反膜，后表面镀全反膜。

所述的CCD为观察剪切干涉条纹的红外感可视仪。

利用上述的凸透镜焦距的测量装置测量凸透镜焦距的方法，该方法包括下列步骤：

①将待测凸透镜竖直地安装在所述的待测凸透镜镜架4上，调节光纤点光源1与透镜自准直；

②将经透镜准直的光束入射剪切干涉板5，微调所述的剪切干涉板5与入射光束的角度，通过CCD7观察所述的毛玻璃屏6上剪切干涉条纹图样；

③当剪切干涉条纹在毛玻璃屏6上呈现发散特征时，光纤点光源沿透镜光轴向远离待测凸透镜的方向移动；当剪切干涉条纹在毛玻璃屏6呈现汇聚特征时，光纤点光源沿透镜光轴向靠近待测凸透镜的方向移动；直到剪切干涉条纹呈现平行波光束特征时，不再移动；

④所述的光纤点光源1与激光测距仪2的测量零点始终保证在与待测透镜光轴垂直的同一平面内，利用激光测距仪2多次采集光纤点光源1与待测透镜间的距离，取平均值得到待测凸透镜焦距为L，可得到待测凸透镜焦距：

f＝L

采用上述剪切干涉法对神光II激光装置传输空间滤波器输出透镜的焦距进行测量。透镜设计焦距为15977.1mm，透镜的光束通光口径为310mm×310mm，光纤点光源为波长λ＝1.053μm基横模单模光纤(Nufern1060-XP)，纤芯直径为5.8μm。

当理想平行光(高斯强度分布)入射测量透镜后为高斯聚焦光束，聚焦光斑半径为：

上述公式中，λ为波长，f为焦距，D为光束边长。上述数据显示，光纤点光源的直径远远小于透镜的高斯聚焦光束，可作为理想的点光源，其光纤点光源发射波面可近似为球面波。当光纤点光源位于待测透镜焦点时，光束将经透镜准直为平行光束。上述待测透镜的理论焦深计算如下：

理论焦深：

实际测量结果为：光纤点光源在焦点附近±2mm范围内移动，剪切干涉仪可以明显分辨出焦前和焦后变化。当干涉条纹与基准标线夹角为3°时，检测光束波面曲率接近4×10⁴m；当干涉条纹与基准标线夹角为1°时，检测光束波面曲率接近1.4×10⁵m。集成光纤点光源和测距仪的精密移动导轨调节精度小于0.5mm。焦平面和透镜间距离用瑞士莱卡D9高精度激光测距仪测量，测量误差等同于测距仪的精度，测量范围0.05m至200m，精度达到±1.0mm。利用剪切法多次测量取平均值得到透镜焦距为15954mm，实验数值与理论设计值之间的差距主要来源于透镜加工导致。

综上所述，对于上述大口径凸透镜，透镜剪切干涉法测量其焦距的测量精度为3mm，测量精度3/15954＝0.19‰。在实验检验和工程中，上述剪切干涉测量透镜焦距的装置已经在神光II高功率激光装置驱动器大口径透镜焦距离线检测和透镜光学质量的评估得到有效应用，具有设备简单、高精度测量、干涉图样直观等特点并且能够广泛应用到干涉计量领域。

实施例2：

如图1所示：本发明凸透镜焦距测量装置依次由1053nm点光源1、激光测距仪2、精密移动导轨3、待测凸透镜4、剪切干涉板5、毛玻璃屏6和CCD7组成：

所述的点光源1是纤芯直径为5.8μm光纤点光源；

所述的光纤点光源1和激光测距仪2安装在同一调整架上，该调整架具有整体升降、俯仰和左右移动调节机构。光纤点光源1和激光测距仪2的测量零点保证在与待测透镜的光轴垂直的同一平面内。

所述调整架固定于前后平移一维精密移动导轨3上，平移方向与待测透镜主轴平行；

所述的剪切干涉板为45°放置反射式的楔形玻璃板，前表面镀半透半反膜，后表面镀全反膜。

所述的CCD为观察剪切干涉条纹的红外感可视仪。

(1)首先将待测凸透镜竖直安装在待测凸透镜镜架4上，调节光纤点光源1与透镜自准直；

(2)将1053nm点光源放置于凸透镜焦距处；

(3)利用CCD观察剪切干涉条纹，判断凸透镜其光束质量；

(4)当CCD采集条纹呈现水平S性弯曲特征曲线时，表明存在小量初级球差；当CCD采集条纹干涉场中心呈现椭圆条纹时，表明存在初级慧差；当CCD采集条纹在两维方向干涉条纹都为直线条纹，但条纹数量不一致时，表明存在初级像散。

Claims (4)

1.一种凸透镜焦距的测量装置，其特征在于：该装置由光纤点光源(1)、激光测距仪(2)、精密移动导轨(3)、待测凸透镜镜架(4)、剪切干涉板(5)、毛玻璃屏(6)和CCD(7)组成，所述的点光源(1)是纤芯直径为5.8μm光纤点光源，所述的光纤点光源(1)和激光测距仪(2)安装在同一调整架上，调整架具有整体升降、俯仰和左右移动调节机构，光纤点光源(1)和激光测距仪(2)的测量零点保证在与待测凸透镜的光轴垂直的同一平面内，所述调整架固定于前后平移精密移动导轨(3)上，平移方向与待测透镜主轴平行，沿所述的光纤点光源(1)输出的光束方向依次是所述的待测凸透镜镜架(4)、剪切干涉板(5)、毛玻璃屏(6)和CCD(7)，所述的剪切干涉板(5)为45°放置反射式的楔形玻璃板，前表面镀半透半反膜，后表面镀全反膜，所述的剪切干涉板(5)的剪切量S和光纤点光源(1)经待测凸透镜准直后输出光束波面的曲率半径R满足下列公式：

$\frac{\∂W(x,y)}{\∂x}S=n\mathrm{\λ}$

$R=\frac{S}{k\mathrm{\β}\tan \mathrm{\θ}}$

其中，n为干涉条纹的级次，λ为待测波的波长，W(x,y)为入射平面波波前，(x,y)为任意点P(x,y)的坐标位置，θ为剪切条纹与水平参考线之间的倾角，k为剪切板材料的折射率，β为剪切板的楔角。

2.根据权利要求1所述的凸透镜焦距的测量装置，其特征在于：所述的激光测距仪相对于光纤点光源在水平面左右方向间隔约为10～15mm。

3.利用权利要求1所述的凸透镜焦距的测量装置测量凸透镜焦距的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将待测凸透镜竖直地安装在所述的待测凸透镜镜架(4)上，调节光纤点光源(1)与透镜自准直；

②将经透镜准直的光束入射剪切干涉板(5)，微调所述的剪切干涉板(5)与入射光束的角度，通过CCD(7)观察所述的毛玻璃屏(6)上剪切干涉条纹图样；

③当剪切干涉条纹在毛玻璃屏(6)上呈现发散特征时，光纤点光源沿透镜光轴向远离待测凸透镜的方向移动；当剪切干涉条纹在毛玻璃屏(6)呈现汇聚特征时，光纤点光源沿透镜光轴向靠近待测凸透镜的方向移动；直到剪切干涉条纹呈现平行波光束特征时，不再移动；

④所述的光纤点光源(1)与激光测距仪(2)的测量零点始终保证在与待测透镜光轴垂直的同一平面内，利用激光测距仪(2)多次采集光纤点光源(1)与待测透镜间的距离，取平均值得到待测凸透镜焦距。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：当红外感可视仪CCD观测到的剪切干涉条纹图样不具备平行直线条纹时，如呈现水平S性弯曲特征曲线时，表明准直光束存在小量初级球差；如条纹干涉场中心呈现椭圆条纹时，表明准直光束存在初级慧差；如两维方向干涉条纹都为直线条纹，但条纹数量不一致时，表明准直光束存在初级像散。