CN105181298B - 多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置。该方法通过在被测镜后引入平行平晶和反射镜对聚焦光束进行多次反射，利用激光共焦光强响应曲线最大值点与会聚点精确对应这一特性，对多次折返后不同反射次数的会聚点进行高精度定焦，再由测长干涉仪精确测得反射镜位置信息，继而实现长焦距高精度测量。本发明提出的共焦定焦原理与多次反射式折返原理相结合的方法，极大程度压缩了测量光路，大幅缩短了测量距离，简化了测量光路，从而减少了仪器结构，抗高了抗环境干扰能力，可用于长焦距透镜或光学系统焦距的高精度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置，属于光学元件参数精密测量技术领域。
技术背景
长焦距光学元件广泛应用于激光核聚变、空间光学系统和高能激光器等大型光学系统研究领域中。然而，长焦距透镜焦距值的高精度测量一直是光学测试领域尚未解决的一大难题，其测量精度也直接影响了大型光学系统的成像质量和使用性能。因此，寻找一种长焦距的高精度测量方法具有很重要的应用价值，也是激光核聚变、空间光学仪器和高能激光器等国家重大专项和国家重大工程项目的研制和装调中亟待解决的技术瓶颈。
目前，针对长焦距的高精度测量，国内外研究者已经提出了很多不同的测量方法，这些测量方法总体上可分为两类。
第一类是基于传统的几何成像原理的测量方法。比如，1999年在《Journal ofOptical Technology》中发表的《Measuring the focal lengths of long-focus opticalsystems》一文中，作者提出在准直光路中插入一个小角度光楔，通过测量光学系统焦平面上有/无光楔时像的位置变化来获得被测焦距值的测量方法，该方法对25000mm焦距的相对测量精度为0.1％。再如1987年在《Applied optics》中发表的《Determination of thefocal length of nonparaxial lenses by moire deflectometry》一文中，作者提出利用摩尔效应，通过测量摩尔条纹旋转角度来实现被测镜焦距测量，其理论相对测量误差小于0.1％。这些传统的基于几何成像原理的测量方法受衍射极限的限制，其测量精度难以进一步提高。
第二类是基于泰伯效应的测量方法，这也是目前长焦距测量研究领域中最常用的方法。根据泰伯效应，当用球面光波照射一个光栅时，产生的周期性泰伯像与波前曲率半径有一个对应关系，在泰伯像面位置再放置一个光栅就会产生莫尔条纹，根据莫尔条纹偏转角度与曲率半径对应关系实现焦距测量。基于此原理，1991年在《Applied optics》中发表的《Measurement of the focal length of a collimating lens using the Talboteffct and the Moire technique》一文中，作者利用一个准直镜取代了复杂的准直系统，受莫尔条纹角度判别精度限制，其对200mm焦距值测量精度仅为2％。为提高条纹角度判定精度，2005年在《Applied optics》中发表的《Measurement of focal length with phase-shifting Talbot interferometry》一文中，作者采用傅立叶分析技术滤除光栅条纹造成的图像噪声提高摩尔条纹角度判别精度，在焦距为240mm条件下，测量误差小于0.3％。我国浙江大学也对此方法进行了深入研究，并在2005年《Optics And Lasers In Engineering》中发表了《Novel method for testing the long focal length lens of largeaperture》，作者将泰伯效应和扫描测量技术相结合，对被测镜不同位置进行实时扫描测得被测焦距值，其在口径150mm，焦距值18000mm长度下，相对测量精度优于0.13％。为进一步提高测量精度，又在2014年《Optics express》中发表的《Long focal-length measurementusing divergent beam and two gratings of different periods》一文中，作者提出采用发散光束和不等周期光栅取代传统准直光束和等周期光栅的测量方法，其在焦距为13500mm的长度下，相对误差小于0.0018％。与第一类测量方法相比，这类基于泰伯效应的测量方法已经达到了较高的测量精度，但都是以条纹变化信息为评价尺度，而实际测量中干涉条纹很容易受到气流、温度和抖动等环境因素影响，制约了其在工程中推广应用和测量精度进一步提高。
综上，长焦距的高精度测量仍然是是光学测试领域一大难题，其主要难点在于：
1)焦深长，受衍射效应的影响，难以精确定焦；
2)焦距长，测量光路长，受测量环境干扰和系统漂移的影响，难以精密测长；
3)焦距长，给测量系统构建和测量环境提出了苛刻的要求，亟待攻克通过小尺寸测量来实现长焦距高精确测量难题，来减少仪器体积，提高抗环境干扰能力。
基于此，本发明提出一种多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置，该方法利用多次反射式光路折叠技术，减少了测量光路和测长距离，采用共焦探测技术，以轴向光强信息为测量评价尺度，遏制了系统共模信号干扰，提高了环境抗干扰能力。多次反射式激光共焦长焦距测量方法为长焦距的高精度测量提供了一个全新的技术途径。
发明内容
本发明的目的是为了解决长焦距透镜焦距的高精度测量难题，提出了一种多次反射式激光共焦长焦距测量方法方法与装置。该方法通过在被测镜后引入平行平晶和反射镜对聚焦光束进行多次反射，利用激光共焦光强响应曲线最大值点与被测镜焦点精确对应这一特性，对多次折返后不同反射次数的聚焦焦点进行高精度定位，继而实现长焦距高精度测量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
多次反射式激光共焦长焦距测量装置，包括点光源、分光镜、准直镜、环形光瞳、被测镜、平行平晶、平行平晶右表面、反射镜前表面、反射镜、共焦探测系统、针孔、光强探测器；其测量光路为：由点光源出射的光经分光镜和准直镜后形成准直光束并照射在被测镜上；准直光束透过被测镜和平行平晶后会聚成测量光束，该测量光束在平行平晶右表面和反射镜前表面之间折叠反射；沿光轴移动反射镜，当测量光束会聚点位于平行平晶右表面或者反射镜前表面附近时，平行平晶右表面或者反射镜前表面将测量光束反射，反射回来的光束再反向透过平行平晶和被测镜被分光镜反射进入共焦探测系统，共焦探测系统将轴向光强信息经处理后得到共焦光强响应曲线，其最大值点位置精确对应测量光束会聚点位置。
多次反射式激光共焦长焦距测量方法，具体测量步骤如下：
步骤一、将反射镜置于准直镜后的准直光路中，采用自准直法调整反射镜使其与准直光束同轴；
步骤二、将平行平晶置于准直镜后的准直光路中，采用自准直法调整平行平晶使其与准直光束同轴；
步骤三、将被测镜置于准直镜后的准直光路中，调整被测镜使其与准直光束同轴；
步骤四、沿光轴方向移动反射镜，使测量光束在平行平晶和反射镜之间经过n＝i次反射，i＝0,1,2…，光束聚焦在平行平晶右表面或反射镜前表面面附近时，移动反射镜，由共焦探测系统测得系统共焦光强响应曲线，利用共焦光强响应曲线最大值点精确确定测量光束的会聚点，记录此时反射镜位置为zi；
步骤五、继续光轴方向移动反射镜，使测量光束在平行平晶和反射镜之间经过n＝j次反射，j＝0,1,2…，光束聚焦在平行平晶右表面或反射镜前表面位置附近时，移动反射镜，由共焦探测系统测得系统共焦光强响应曲线，利用共焦光强响应曲线最大值点精确确定测量光束的会聚点，记录此时反射镜位置为zj；
步骤六、根据记录的反射镜位置信息zi和zj，结合平行平晶厚度b，被测镜与平行平晶轴向间隔d和平行平晶折射率n0计算被测镜顶焦距值；
步骤七、再根据已知一定公差范围的被测镜厚度b1，折射率n1，表面曲率半径r11和r12，可由顶焦距fBFD′换算得到被测焦距值f′；
本发明所述的多次反射式激光共焦长焦距测量方法和装置，还可以在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低定焦时波相差对测量光束的影响，提高测量精度。
本发明所述的多次反射式激光共焦长焦距测量方法和装置，还可以对点光源发出的光进行光强调制，由共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦响应信号，将该调制信号解调后得到共焦光强响应曲线，提高系统的定焦灵敏度。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下创新点：
提出了一种多次反射式激光共焦长焦距测量方法和装置，通过在被测镜后引入平行平晶和反射镜对会聚测量光束进行多次反射，利用激光共焦光强响应曲线最大值点与被测镜焦点精确对应这一特性，对多次折返后不同反射次数的聚焦焦点进行高精度定位，继而实现长焦距高精度测量。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1)本发明对会聚测量光束进行多次折叠反射，大幅度缩短了测量光路，减少了测长距离，从而缩短了导轨长度，减少了仪器体积，提高了系统测量速度和效率，采用单个探测器探测系统轴向光强信号变化，也简化了系统光路结构，更适合于实际工程中。
2)本测量方法中，结合共焦精密定焦技术，以轴向的光强响应信号作为评价尺度，利用多次折叠反射技术对被测镜焦深进行压缩，减少了共焦光强响应曲线的宽度，具有更高的定焦灵敏度和定焦精度；
3)采用了非干涉的共焦定焦技术，抑制了共模信号干扰，消减了空气扰动等环境干扰对测量精度的影响，显著提高了系统抗环境干扰能力和系统可靠性。
附图说明
图1为本发明多次反射式激光共焦长焦距测量系统的示意图；
图2为本发明多次反射式激光共焦长焦距测量系统实施例的示意图；
图3为本发明多次反射式激光共焦长焦距测量系统实施例的示意图；
图4为本发明由共焦测量系统探测得到的共焦光强响应曲线；
其中：1-点光源、2-分光镜、3-准直镜、4-环形光瞳、5-被测镜、6-平行平晶、7-平行平晶右表面、8-反射镜前表面、9-反射镜、10-共焦探测系统、11-针孔、12-光强探测器、13-测量光束、14-点光源发生装置、15-激光器、16-光纤、17-主控计算机、18-图像采集卡、19-机电控制装置、20-直线平移导轨、21-反射镜调整架、22-平行平晶调整架、23-被测镜调整架。
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。
附图1为本发明的多次反射式激光共焦长焦距测量系统示意图，包括点光源1、分光镜2、准直镜3、环形光瞳4、被测镜5、平行平晶6、平行平晶右表面7、反射镜前表面8、反射镜9、共焦探测系统10、针孔11、光强探测器12和测量光束13；
实施例1
如图2所示，本发明实施例基于图1所示的多次反射式激光共焦长焦距测量系统示意图，其还可以包括：主控计算机17、图像采集卡18、机电控制装置19、直线平移导轨20、反射镜调整架21、平行平晶调整架22和被测镜调整架23。其中，点光源1可以由激光器18和光纤19构成，共焦探测系统10可以由光强传感器12和针孔11构成。
如图2所示，利用多次反射式激光共焦长焦距测量装置实现长焦距透镜焦距值高精度测量的过程为：点光源1出射的光经分光镜2和准直镜3后形成准直光束并照射在被测镜5上。该准直光束透过被测镜5和平行平晶6后会聚成测量光束13，测量光束13在平行平晶右表面7和反射镜9的反射面8之间折叠反射后聚焦在平行平晶右表面7位置或者反射镜9的反射面位置。由平行平晶右表面7或者反射镜9的反射面8反射回来的光再次透过平行平晶6和被测镜5被分光镜2反射在针孔11上被光强传感器12接收。由主控计算机17通过机电控制装置19控制直线平移导轨20带动反射镜9沿光轴方向移动，当会聚光束13被平行平晶6和反射镜9反射n＝i次时，i＝0,1,2…，图像采集卡18将相机采集到的光强信号传输给主控计算机17归一化处理形成如图4所示的系统共焦光强响应曲线，其最大值点位置精确对应反射次数n＝i反射镜9所在位置zi。继续平移反射镜9，当会聚光束13被平行平晶6和反射镜9反射n＝j次时，测量系统探测到的如图4所示的共焦光强响应曲线最大值点精确对应反射次数n＝j反射镜9所在位置zj，j＝0,1,2…。利用测得的n＝i次反射时反射镜9所在位置zi和n＝j次时反射镜9所在位置zj求得被测焦距值。
以依次测量n＝3次反射和n＝4次反射为例：
当被测透镜5采用口径为D＝150mm的平凸透镜，其凸面曲率半径r＝4998.8608mm，所用平行平晶6厚度b＝10mm，折射率n＝1.5146mm，被测镜5与平行平晶6之间间隔d＝319.62mm时，并采用平面朝准直光方向，其测量步骤是：
步骤一、将反射镜9置于准直镜3后的准直光路中，采用自准直法调整反射镜调整架21使反射镜9与准直光束同轴；
步骤二、将平行平晶6置于准直镜3后的准直光路中，采用自准直法调整平行平晶调整架22使平行平晶6与准直光束同轴；
步骤三、将被测镜5置于准直镜3后的准直光路中，调整被测镜调整架23使被测镜5与准直光束同轴；
步骤四、由机电控制装置19控制反射镜9沿直线平移导轨20移动，使测量光束13在平行平晶6和反射镜9之间经过n＝3次反射，光束聚焦在平行平晶右表面7位置处。移动反射镜9，由图像采集卡18采集系统轴向光强信息，经主控计算机17处理后如图4所示的系统共焦光强响应曲线，利用图4所示的共焦光强响应曲线最大值点精确确定光束会聚点，记录此时反射镜9位置为z3＝-1.4613mm；
步骤五、继续由机电控制装置19控制反射镜9沿直线平移导轨20移动，使测量光束13在平行平晶6和反射镜9之间经过n＝4次反射，光束聚焦在反射镜9前表面8位置处。移动反射镜9，由图像采集卡18采集系统轴向光强信息，经主控计算机17处理后如图4所示的系统共焦光强响应曲线，利用图4所示的共焦光强响应曲线最大值点精确确定光束会聚点，记录此时反射镜9位置为z4＝469.8292mm；
步骤六、根据记录的反射镜位置信息z3和z4，计算被测镜5焦距值。
此实施例通过一系列的措施实现了对长焦距被测镜5的焦距值测量。在测量过程中，采用共焦测量方法对被测透镜5的聚焦焦点进行精确定焦，测量精度高，抗环境干扰能力强。
实施例2
如图2所示，以依次测量n＝4次反射和n＝3次反射为例：
当被测透镜5采用口径为D＝150mm的平凸透镜，其凸面曲率半径r＝4998.8608mm，所用平行平晶6厚度b＝10mm，折射率n＝1.5146mm，测得被测镜5与平行平晶6之间间隔d＝319.62mm时，并采用平面朝准直光方向，多次反射式激光共焦长焦距测量装置如图2所示，其测量步骤是：
步骤一、将反射镜9置于准直镜3后的准直光路中，采用自准直法调整反射镜调整架21使反射镜9与准直光束同轴；
步骤二、将平行平晶6置于准直镜3后的准直光路中，采用自准直法调整平行平晶调整架22使平行平晶6与准直光束同轴；
步骤三、将被测镜5置于准直镜3后的准直光路中，调整被测镜调整架23使被测镜5与准直光束同轴；
步骤四、由机电控制装置19控制反射镜9沿直线平移导轨20移动，使测量光束13在平行平晶6和反射镜9之间经过n＝4次反射，光束聚焦在反射镜9前表面8位置处。移动反射镜9，由图像采集卡18采集系统轴向光强信息，经主控计算机17处理后如图4所示的系统共焦光强响应曲线，利用图4所示的共焦光强响应曲线最大值点精确确定光束会聚点，记录此时反射镜9位置为z4＝469.1861mm；
步骤五、由机电控制装置19控制反射镜9沿直线平移导轨20移动，使测量光束13在平行平晶6和反射镜9之间经过n＝3次反射，光束聚焦在平行平晶右表面7位置处。移动反射镜9，由图像采集卡18采集系统轴向光强信息，经主控计算机17处理后如图4所示的系统共焦光强响应曲线，利用图4所示的共焦光强响应曲线最大值点精确确定光束会聚点，记录此时反射镜9位置为z3＝-1.8480mm；
步骤六、根据记录的反射镜位置信息z3和z4，计算被测镜5焦距值。
实施例3
如图3所示，以依次测量n＝5次反射和n＝6次反射为例：
当被测透镜5采用口径为D＝150mm的平凸透镜，其凸面曲率半径r＝4998.8608mm，所用平行平晶6厚度b＝10mm，折射率n＝1.5146mm，被测镜5与平行平晶6之间间隔d＝319.62mm时，并采用平面朝准直光方向，其测量步骤是：
步骤一、将反射镜9置于准直镜3后的准直光路中，采用自准直法调整反射镜调整架21使反射镜9与准直光束同轴；
步骤二、将平行平晶6置于准直镜3后的准直光路中，采用自准直法调整平行平晶调整架22使平行平晶6与准直光束同轴；
步骤三、将被测镜5置于准直镜3后的准直光路中，调整被测镜调整架23使被测镜5与准直光束同轴；
步骤四、由机电控制装置19控制反射镜9沿直线平移导轨20移动，使测量光束13在平行平晶6和反射镜9之间经过n＝5次反射，光束聚焦在平行平晶右表面7位置处。移动反射镜9，由图像采集卡18采集系统轴向光强信息，经主控计算机17处理后如图4所示的系统共焦光强响应曲线，利用图4所示的共焦光强响应曲线最大值点精确确定光束会聚点，记录此时反射镜9位置为z5＝1.2236mm；
步骤五、由机电控制装置19控制反射镜9沿直线平移导轨20移动，使测量光束13在平行平晶6和反射镜9之间经过n＝6次反射，光束聚焦在反射镜9前表面8位置处。移动反射镜9，由图像采集卡18采集系统轴向光强信息，经主控计算机17处理后如图4所示的系统共焦光强响应曲线，利用图4所示的共焦光强响应曲线最大值点精确确定光束会聚点，记录此时反射镜9位置为z6＝225.1656mm；
步骤六、根据记录的反射镜位置信息z3和z4，计算被测镜5焦距值。
通过以上实施例可知，本发明的激光共焦长焦距测量方法和装置将多次反射式光路折叠技术和激光共焦定焦技术相结合，大幅度缩短了测量光路，减少了测量距离，具有测量精度高，系统结构简单，研制成本低等优点，特别适合在工程中推广应用。
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 (5)
1.多次反射式激光共焦长焦距测量装置，其特征在于：包括点光源(1)、分光镜(2)、准直镜(3)、环形光瞳(4)、被测镜(5)、平行平晶(6)、反射镜(9)和共焦探测系统(10)、其中共焦探测系统(10)包括针孔(11)和光强探测器(12)，其测量光路为：打开点光源(1)，由点光源(1)出射的光经分光镜(2)和准直镜(3)后形成准直光束并照射在被测镜(5)上；准直光束透过被测镜(5)和平行平晶(6)后会聚成测量光束(13)，该测量光束(13)在平行平晶(6)的右表面(7)和反射镜(9)的反射面(8)之间折叠反射；沿光轴移动反射镜(9)，当测量光束(13)会聚点位于平行平晶右表面(7)或者反射镜的反射面(8)附近时，平行平晶右表面(7)或者反射镜的反射面(8)将测量光束(13)反射，反射回来的光束再反向透过平行平晶(6)和被测镜(5)被分光镜(2)反射进入共焦探测系统(10)，共焦探测系统(10)将轴向光强信息经处理后得到共焦光强响应曲线，其最大值点位置精确对应测量光束(13)会聚点位置。
2.根据权利要求1所述的多次反射式激光共焦长焦距测量装置，其特征在于：还包括点光源发生装置(14)、主控计算机(17)、图像采集卡(18)、机电控制装置(19)、直线平移导轨(20)、反射镜调整架(21)、平行平晶调整架(22)和被测镜调整架(23)；其关系为：点光源发生装置(14)由激光器(15)发出的光束经光纤(16)输出形成；图像采集卡(18)用于将光强探测器(12)采集到的光强信息传输给主控计算机(17)处理得到系统共焦光强响应曲线；反射镜调整架(21)位于直线平移导轨(20)上，用于调整反射镜(9)，平行平晶调整架(22)和被测镜调整架(23)分别用于调整平行平晶(6)和被测镜(5)。
3.根据权利要求2所述的多次反射式激光共焦长焦距测量装置，其特征在于具体测量步骤如下：
步骤一、将反射镜(9)置于准直镜(3)后的准直光路中，采用自准直法调整反射镜调整架(21)使反射镜(9)与准直光束同轴；
步骤二、将平行平晶(6)置于准直镜(3)后的准直光路中，采用自准直法调整平行平晶调整架(22)使平行平晶(6)与准直光束同轴；
步骤三、将被测镜(5)置于准直镜(3)后的准直光路中，调整被测镜调整架(23)使被测镜(5)与准直光束同轴；
步骤四、由机电控制装置(19)控制反射镜(9)沿直线平移导轨(20)移动，使测量光束(13)在平行平晶(6)和反射镜(9)之间经过n＝i次反射，光束聚焦在平行平晶右表面(7)位置处，移动反射镜(9)，由图像采集卡(18)采集系统轴向光强信息，经主控计算机(17)处理后形成系统共焦光强响应曲线，利用共焦光强响应曲线最大值点精确确定光束会聚点，记录此时反射镜(9)位置为zi；
步骤五、由机电控制装置(19)控制反射镜(9)沿直线平移导轨(20)移动，使测量光束(13)在平行平晶(6)和反射镜(9)之间经过n＝j次反射，光束聚焦在平行平晶右表面(7)位置处，移动反射镜(9)，由图像采集卡(18)采集系统轴向光强信息，经主控计算机(17)处理后形成系统共焦光强响应曲线，利用共焦光强响应曲线最大值点精确确定光束会聚点，记录此时反射镜(9)位置为zj；
步骤六、根据记录的反射镜位置信息zi和zj，结合平行平晶厚度b，被测镜与平行平晶轴向间隔d和平行平晶折射率n0计算被测镜(5)顶焦距值；
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步骤七、再根据已知一定公差范围的被测镜厚度b1，折射率n1，第一表面曲率半径r11和第二表面曲率半径r12，由顶焦距fBFD′换算得到被测焦距值f；
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4.根据权利要求2所述的多次反射式激光共焦长焦距测量装置的测量方法，其特征在于具体测量步骤如下：
步骤一、将反射镜(9)置于准直镜(3)后的准直光路中，采用自准直法调整反射镜(9)使其与准直光束同轴；
步骤二、将平行平晶(6)置于准直镜(3)后的准直光路中，采用自准直法调整平行平晶(6)使其与准直光束同轴；
步骤三、将被测镜(5)置于准直镜(3)后的准直光路中，调整被测镜(5)使其与准直光束同轴；
步骤四、沿光轴方向移动反射镜(9)，使测量光束(13)在平行平晶(6)和反射镜(9)之间经过n＝i次反射，i＝0,1,2…，光束聚焦在平行平晶右表面(7)或反射镜的反射面(8)附近时，移动反射镜(9)，由共焦探测系统(10)测得系统共焦光强响应曲线，利用共焦光强响应曲线最大值点精确确定测量光束(13)的会聚点，记录此时反射镜(9)位置为zi；
步骤五、继续光轴方向移动反射镜(9)，使测量光束(13)在平行平晶(6)和反射镜(9)之间经过n＝j次反射，j＝0,1,2…，光束聚焦在平行平晶右表面(7)或反射镜的反射面(8)位置附近时，移动反射镜(9)，由共焦探测系统(10)测得系统共焦光强响应曲线，利用共焦光强响应曲线最大值点精确确定测量光束(13)的会聚点，记录此时反射镜(9)位置为zj；
步骤六、根据记录的反射镜位置信息zi和zj，结合平行平晶厚度b，被测镜与平行平晶轴向间隔d和平行平晶折射率n0计算被测镜(5)顶焦距值；
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步骤七、再根据已知一定公差范围的被测镜厚度b1，折射率n1，第一表面曲率半径r11和第二表面曲率半径r12，由顶焦距fBFD′换算得到被测焦距值f；
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5.根据权利要求4所述的多次反射式激光共焦长焦距测量装置的测量方法，其特征在于：在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低定焦时波相差对测量光束的影响，提高测量精度。
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