CN107643162B - 一种双光栅焦距测量仪的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光栅焦距测量仪的标定方法，该方法采用两块已知焦距设计值的透镜来标定双光栅干涉仪中光栅栅线夹角，消除两块已知焦距设计值透镜的焦距误差，从而保证双光栅栅线夹角标定精度和焦距测量仪的测量精度。本发明使用优化焦距测量公式，将干涉条纹与零位基准线的夹角替换为放入待测元件前后两组干涉条纹的夹角之差，解决了干涉条纹零位基准线确定困难的问题，消除了误差对焦距测量的影响。

Description

一种双光栅焦距测量仪的标定方法

技术领域

本发明属于光学精密测试领域，具体涉及一种双光栅焦距测量仪的标定方法。

背景技术

目前对长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。传统测量方法包括放大率法、精密测角法、傅里叶频谱法等，在测量焦距较小光学元件时方便而且精度高，但因其空间局限性很难满足长焦距的测量。泰伯莫尔法测长焦距，双光栅干涉仪是其关键部件，其中直线型的朗奇光栅在测量焦距前需要标定光栅的栅线夹角，标定方法复杂且精度有限。

现有的标定光栅栅线夹角的方法，需要已知标定透镜焦距的标准值，对于5m以上的中长焦距光学元件，缺乏有效的高精度测量方法对其焦距值进行精确测量，这也进而严重限制了采用相应的标准件对中长焦距测量系统进行定标校准的精度。此外，系统的焦距测量范围较大，因为定标用透镜自身焦距误差，以及各类测量系统误差的存在，现有方法利用一块特定焦距值的标准透镜对系统进行定标后，难以在整个焦距测量范围内取得较高的测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双光栅焦距测量仪的标定方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双光栅焦距测量仪的标定方法，标定方法基于标定系统实现，所述标定系统包括设置在双光栅干涉系统正前方的标定透镜，设置在第二光栅下方的精密角位移台以及设置在第二光栅正后方的成像采集系统；该标定方法包括以下步骤：

第一步，平行光入射到双光栅干涉系统中，得到干涉条纹图像；

第二步，根据干涉条纹图像，调节精密角位移台，旋转第二光栅，找到双光栅的栅线零位，此时产生一个零位误差；

第三步，由成像采集系统采集此时的干涉条纹，经傅里叶变换法得到干涉条纹偏转角度；分别放置不同焦距设计值的标定透镜，此时得到的干涉条纹偏转角度；

第四步，取下标定透镜，每步等精度的调节栅线夹角步长，改变光栅栅线夹角，干涉条纹发生偏转；重复第三步，得到不同焦距设计值的标定透镜的多组干涉条纹图像；

第五步，构造测量值比值的夹角标定函数作为迭代判据，消去双光栅间距和标定透镜焦距的不确定度对标定结果的影响，实现与标定透镜焦距设计值非相关。

第六步，通过最小二乘辨识方法，得到校准后的双光栅干涉系统零位误差和角度调节位移几何误差，即可完成光栅栅线夹角的组合标定。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明使用优化焦距测量公式，将干涉条纹与零位基准线的夹角替换为放入待测元件前后两组干涉条纹的夹角之差，解决了干涉条纹零位基准线确定困难的问题，消除了其误差对焦距测量的影响，减小了系统调试和定标的复杂性；

(2)本发明构造测量值比值的夹角标定函数作为迭代判据，消去了传统测量方法中双光栅间距d、标定透镜到第一光栅的距离s和测试透镜焦距f对标定结果的影响。

(3)本发明采用组合标定的方法，提高标定精度的同时均化测量范围内的焦距测试误差，使得结果在定标的焦距范围内能够满足系统测试精度的要求。

附图说明

图1为本发明双光栅焦距测量仪的标定系统光路示意图。

具体实施方式

结合图1，一种双光栅焦距测量仪的标定方法，标定方法基于标定系统实现，所述标定系统包括设置在双光栅干涉系统正前方的标定透镜1，设置在第二光栅3下方的精密角位移台4以及设置在第二光栅3正后方的成像采集系统5；该标定方法包括以下步骤：

第一步，平行光入射到双光栅干涉系统中，得到干涉条纹图像；

第二步，根据干涉条纹图像，调节精密角位移台4，旋转第二光栅3，找到双光栅的栅线零位，此时产生一个零位误差θ₀；

第三步，由成像采集系统5采集此时的干涉条纹，经傅里叶变换法得到干涉条纹偏转角度，记为分别放置不同焦距设计值的标定透镜1，此时得到的干涉条纹偏转角度，记为

第四步，取下标定透镜1，每步等精度的调节栅线夹角步长Δθ，改变光栅栅线夹角，干涉条纹发生偏转；重复第三步，得到不同焦距设计值的标定透镜1的多组干涉条纹图像；

第五步，构造测量值比值的夹角标定函数作为迭代判据，消去双光栅间距d和标定透镜1焦距f的不确定度对标定结果的影响，实现与标定透镜焦距设计值非相关。

第六步，通过最小二乘辨识方法，得到校准后的双光栅干涉系统零位误差θ₀和角度调节位移几何误差Δθ，即可完成光栅栅线夹角θ的组合标定。

进一步的，双光栅干涉系统的第二光栅3设置有旋转调节结构，可等精度调节两光栅的栅线夹角。

进一步的，所述的夹角标定函数具体为：

根据优化后的焦距测量的公式可知：

其中，f为单透镜焦距，s为测试透镜到第一光栅的距离，d为双光栅间距，为未放入测试透镜时干涉条纹的夹角，为放入测试透镜后干涉条纹的夹角；

当放入焦距5m以上的标定透镜时，可忽略s的影响，有：

其中，θ₀为双光栅栅线夹角零位误差，Δθ栅线夹角调节步长，k为栅线夹角调节次数，为第k次未放入测试透镜时干涉条纹的夹角，为第k次放入测试透镜后干涉条纹的夹角。

定义夹角标定函数为：

对于焦距设计值为5m的标定透镜I，有：

类似的，对于焦距设计值为59m的标定透镜II，也有：

可知，和都是与标定透镜焦距值无关的函数，只与θ₀和Δθ有关，通过最小二乘辨识方法拟合即可完成组合标定。

本发明通过测量空载时干涉条纹角度和放入已知焦距设计值的标定透镜后的干涉条纹角度，构造测量值比值的夹角标定函数，消去双光栅间距d和标定透镜焦距f的不确定度对标定结果的影响，实现与标定透镜设计焦距值非相关，并通过两块以上不同焦距设计值的标定透镜进行组合定标，由最小二乘辨识方法解算出校准后的双光栅干涉系统零位误差θ₀和角度调节位移几何误差Δθ，标定结果在标定焦距范围内能够满足系统测试精度的要求。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例取焦距设计值为5m和59m的标定透镜，通过调节高精度精密角位移台，每步等精度的调节栅线夹角步长，k＝20，改变光栅栅线夹角，获得相应的干涉条纹，由成像采集系统采集后经干涉条纹角度计算软件包进行傅里叶变换解算。每次调节完毕后，先将精密角位移台回归零位再进行下次调节，以保证重复定位精度。将全部数据带入方程组中，应用焦距非相关的最小二乘定标方法进行组合定标，精确求解出双光栅干涉仪零位误差Δθ₀和栅线夹角调节步长Δθ。

焦距设计值5m和59m的标定透镜组合定标校准

利用上述空载、焦距设计值为5m和59m的标定透镜的测试结果，应用焦距非相关的最小二乘组合定标方法，精确求解出双光栅干涉仪栅线夹角零位误差Δθ₀＝0.019°，双光栅干涉仪栅线夹角调节步长Δθ＝0.0287°。设定光栅栅线夹角为0.88度，此时光栅间距为134.24mm，对焦距设计值为38059.52mm的待测透镜进行测量。

焦距设计值38059.52mm的待测透镜定标后测量结果

Claims (2)

1.一种双光栅焦距测量仪的标定方法，其特征在于，标定方法基于标定系统实现，所述标定系统包括设置在双光栅干涉系统正前方的标定透镜(1)，设置在第二光栅(3)下方的精密角位移台(4)以及设置在第二光栅(3)正后方的成像采集系统(5)；该标定方法包括以下步骤：

第一步，平行光入射到双光栅干涉系统中，得到干涉条纹图像；

第二步，根据干涉条纹图像，调节精密角位移台(4)，旋转第二光栅(3)，找到双光栅的栅线零位，此时产生一个零位误差；

第三步，由成像采集系统(5)采集此时的干涉条纹，经傅里叶变换法得到干涉条纹偏转角度；分别放置不同焦距设计值的标定透镜(1)，此时得到的干涉条纹偏转角度；

第四步，取下标定透镜(1)，每步等精度的调节栅线夹角步长，改变光栅栅线夹角，干涉条纹发生偏转；重复第三步，得到不同焦距设计值的标定透镜(1)的多组干涉条纹图像；

第五步，构造测量值比值的夹角标定函数作为迭代判据，消去双光栅间距和标定透镜(1)焦距的不确定度对标定结果的影响，实现与标定透镜焦距设计值非相关；所述的夹角标定函数具体为：

根据优化后的焦距测量的公式可知：

其中，f为单透镜焦距，s为测试透镜到第一光栅(2)的距离，d为双光栅间距，为未放入测试透镜时干涉条纹的夹角，为放入测试透镜后干涉条纹的夹角，θ为两个光栅的栅线夹角；

当放入焦距5m以上的标定透镜时，有：

其中，θ₀为双光栅栅线夹角零位误差，Δθ栅线夹角调节步长，k为栅线夹角调节次数，为第k次未放入测试透镜时干涉条纹的夹角，为第k次放入测试透镜后干涉条纹的夹角；

定义夹角标定函数为：

对于焦距设计值为5m的标定透镜I，有：

对于焦距设计值为59m的标定透镜II，也有：

可知，和均是与标定透镜焦距值无关的函数，只与θ₀和Δθ有关，通过最小二乘辨识方法拟合即可完成组合标定；

第六步，通过最小二乘辨识方法，得到校准后的双光栅干涉系统零位误差和角度调节位移几何误差，完成光栅栅线夹角的组合标定。

2.根据权利要求1所述的双光栅焦距测量仪的标定方法，其特征在于，双光栅干涉系统的第二光栅(3)设置有旋转调节结构，可等精度调节两光栅的栅线夹角。