CN107515103B - 一种采用环形光栅的焦距检测装置及方法 - Google Patents

一种采用环形光栅的焦距检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用环形光栅的焦距检测装置及方法，该装置包括共光轴顺次设置的激光器、准直扩束物镜、待测系统、第一光栅、第二光栅、接收屏、成像物镜、CCD；方法为：由激光器发出的激光由光纤导出，经过准直扩束物镜，得到一束均匀的平行光，此时未放入待测系统；平行光入射时，观察接收屏上形成的干涉条纹，使用CCD采集该干涉条纹，调整第二光栅的对准线与第一光栅的栅线平行，此时采集到的干涉条纹记为干涉条纹L1；放入待测系统，通过CCD再次采集干涉条纹，记为干涉条纹L2；通过频域亚像素迭代法求出干涉条纹L1和干涉条纹L2的夹角，即可得被测系统的焦距。本发明结构简单、精度高、易于实现，可以用于中等焦距系统的精确测量。

Description

一种采用环形光栅的焦距检测装置及方法
技术领域
本发明属于光学精密测试技术领域，特别是一种采用环形光栅的焦距检测装置及方法。
背景技术
对中等焦距光学系统焦距的测量主要有传统测量方法和泰伯莫尔法。传统测量方法在测量焦距较短光学元件时方便而且精度高，但对于中等焦距光学元件的测量其需要复杂的光学系统和严格的测量环境。目前用泰伯莫尔法测长焦距，泰伯干涉仪是其关键部件，其中两块光栅都是采用直线型的朗奇光栅，测量焦距前要标定栅线夹角，标定方法复杂且精度有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单方便、快速精确、全口径测量的采用环形光栅的焦距检测装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种采用环形光栅的焦距检测装置，包括共光轴顺次设置的激光器、准直扩束物镜、待测系统、第一光栅、第二光栅、接收屏、成像物镜、CCD；
所述激光器发出的激光经过准直扩束物镜产生一束平行光，该平行光入射到待测系统上，再经过第一光栅后在第二光栅处形成干涉条纹，干涉条纹被接收屏接收，成像物镜将条纹成像到CCD的焦平面上。
进一步地，所述第二光栅采用环形光栅。
进一步地，所述第一光栅和第二光栅圆形区域的栅线夹角为1.5度。
一种基于所述的采用环形光栅的焦距检测装置的焦距测量方法，包括以下步骤：
步骤1，由激光器发出的激光由光纤导出，经过准直扩束物镜，得到一束均匀的平行光，此时未放入待测系统；
步骤2，平行光入射时，观察接收屏上形成的干涉条纹，使用CCD采集该干涉条纹，调整第二光栅的对准线与第一光栅的栅线平行，此时采集到的干涉条纹记为干涉条纹L1；
步骤3，放入待测系统，通过CCD再次采集干涉条纹，记为干涉条纹L2；
步骤4，通过频域亚像素迭代法求出干涉条纹L1和干涉条纹L2的夹角，即可得被测系统的焦距。
进一步地，步骤2所述调整第二光栅的对准线与第一光栅的栅线平行，具体为：CCD采集到的干涉条纹分为圆形区域和环形区域两个部分，调整第二光栅上的旋转调节机构，当CCD上环形区域视场中的干涉条纹消失时，则说明第二光栅的对准线与第一光栅的栅线平行，此时第一光栅和第二光栅圆形区域的栅线夹角为1.5度。
进一步地，步骤4所述通过频域亚像素迭代法求出干涉条纹L1和干涉条纹L2的夹角，即可得被测系统的焦距f，公式如下：
其中，s为待测系统到第一光栅的距离，d为第一光栅和第二光栅之间的距离，第一光栅的栅线与第二光栅圆形区域栅线之间的夹角θ为1.5度，φ0是采集到的干涉条纹的倾角。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)光栅栅线夹角为1.5度，提供一种兼顾测量范围广、测量精度高的测试装置；(2)使用环形光栅，对准区域和测量区域分别在两个视场中互不影响，对准调整过程方便快速；(3)使用环形光栅，可以直接根据环形视场的零干涉条纹，确定圆形区域栅线角度，测量前不需要对光栅夹角进行标定，简单可靠，提高装置的测量精度。
附图说明
图1是本发明采用环形光栅的焦距检测装置的光路示意图。
图2是本发明采用环形光栅的焦距检测装置的第一光栅的结构图。
图3是本发明采用环形光栅的焦距检测装置的第二光栅的结构图。
图4是本发明采用环形光栅的焦距检测装置的产生的莫尔条纹的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
结合图1，本发明采用环形光栅的焦距检测装置，包括共光轴顺次设置的激光器1、准直扩束物镜2、待测系统3、第一光栅4、第二光栅5、接收屏6、成像物镜7、CCD8；
所述激光器1发出的激光经过准直扩束物镜2产生一束平行光，该平行光入射到待测系统3上，再经过第一光栅4后在第二光栅5处形成干涉条纹，干涉条纹被接收屏6接收，成像物镜7将条纹成像到CCD8的焦平面上。
所述激光器1、准直扩束物镜2组成准直波前发生器，第一光栅4、第二光栅5、接收屏6组成双光栅干涉仪，成像物镜7、CCD8组成成像采集系统。
双光栅干涉仪中的第二光栅5装有精密旋转调节结构，可对两光栅栅线夹角进行精密调整。双光栅干涉仪的工作过程为：入射光波经过第一光栅4衍射产生第一光栅4的自成像，在第二光栅5处光波的不同衍射级次之间发生干涉，在接收屏6上形成干涉条纹，干涉条纹携带入射光波的焦距信息。
所述第一光栅4的结构如图2所示，第二光栅5采用环形光栅如图3所示，第一光栅4和第二光栅5圆形区域的栅线夹角为1.5度。
本发明所述的采用环形光栅的焦距检测装置的焦距测量方法，包括以下步骤：
步骤1，由激光器1发出的激光由光纤导出，经过准直扩束物镜2，得到一束均匀的平行光，此时未放入待测系统3；
步骤2，平行光入射时，观察接收屏6上形成的干涉条纹如图4所示，使用CCD8采集该干涉条纹，调整第二光栅5的对准线与第一光栅4的栅线平行，此时采集到的干涉条纹记为干涉条纹L1；
所述调整第二光栅5的对准线与第一光栅4的栅线平行，具体为：CCD8采集到的干涉条纹分为圆形区域和环形区域两个部分，调整第二光栅5上的旋转调节机构，当CCD8上环形区域视场中的干涉条纹消失时，则说明第二光栅5的对准线与第一光栅4的栅线平行，此时第一光栅4和第二光栅5圆形区域的栅线夹角为1.5度。
步骤3，放入待测系统3，通过CCD8再次采集干涉条纹，记为干涉条纹L2；
步骤4，通过频域亚像素迭代法求出干涉条纹L1和干涉条纹L2的夹角，即可得被测系统的焦距f，公式如下：
其中，s为待测系统3到第一光栅4的距离，d为第一光栅4和第二光栅5之间的距离，第一光栅4的栅线与第二光栅5圆形区域栅线之间的夹角θ为1.5度，φ0是采集到的干涉条纹的倾角。
综上所述，本发明的焦距检测装置，可以直接以环形视场内的零干涉条纹作为对准判据，确定圆形区域内的栅线夹角，不需要标定光栅夹角，采集到的莫尔条纹仍充满整个圆形视场中，通过对条纹进行处理实现焦距的简单方便、快速精确、全口径测量。

Claims (5)

1.一种采用环形光栅的焦距检测装置，其特征在于，包括共光轴顺次设置的激光器(1)、准直扩束物镜(2)、待测系统(3)、第一光栅(4)、第二光栅(5)、接收屏(6)、成像物镜(7)、CCD(8)；
所述激光器(1)发出的激光经过准直扩束物镜(2)产生一束平行光，该平行光入射到待测系统(3)上，再经过第一光栅(4)后在第二光栅(5)处形成干涉条纹，干涉条纹被接收屏(6)接收，成像物镜(7)将条纹成像到CCD(8)的焦平面上；
所述第一光栅(4)采用圆形直线光栅，第二光栅(5)采用环形光栅，且环形光栅具有圆形直线光栅区域和环形对准线区域。
2.根据权利要求1所述的采用环形光栅的焦距检测装置，其特征在于，所述第一光栅(4)和第二光栅(5)圆形区域的栅线夹角为1.5度。
3.一种基于权利要求1所述的采用环形光栅的焦距检测装置的焦距测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，由激光器(1)发出的激光由光纤导出，经过准直扩束物镜(2)，得到一束均匀的平行光，此时未放入待测系统(3)；
步骤2，平行光入射时，观察接收屏(6)上形成的干涉条纹，使用CCD(8)采集该干涉条纹，调整第二光栅(5)的对准线与第一光栅(4)的栅线平行，此时采集到的干涉条纹记为干涉条纹L1；
步骤3，放入待测系统(3)，通过CCD(8)再次采集干涉条纹，记为干涉条纹L2；
步骤4，通过频域亚像素迭代法求出干涉条纹L1和干涉条纹L2的夹角，即可得被测系统的焦距。
4.根据权利要求3所述的采用环形光栅的焦距检测方法，其特征在于，步骤2所述调整第二光栅(5)的对准线与第一光栅(4)的栅线平行，具体为：CCD(8)采集到的干涉条纹分为圆形区域和环形区域两个部分，调整第二光栅(5)上的旋转调节机构，当CCD(8)上环形区域视场中的干涉条纹消失时，则说明第二光栅(5)的对准线与第一光栅(4)的栅线平行，此时第一光栅(4)和第二光栅(5)圆形区域的栅线夹角为1.5度。
5.根据权利要求3所述的采用环形光栅的焦距检测方法，其特征在于，步骤4所述通过频域亚像素迭代法求出干涉条纹L1和干涉条纹L2的夹角，即可得被测系统的焦距f，公式如下：
其中，s为待测系统(3)到第一光栅(4)的距离，d为第一光栅(4)和第二光栅(5)之间的距离，第一光栅(4)的栅线与第二光栅(5)圆形区域栅线之间的夹角θ为1.5度，φ0是采集到的干涉条纹的倾角。
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