CN109990984B - 横向相减差动共焦超长焦距测量方法 - Google Patents

横向相减差动共焦超长焦距测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的横向相减差动共焦超长焦距测量方法，属于光学精密测量技术领域。本发明在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾里斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域并将其探测的两条共焦特性曲线通过相减处理来锐化共焦特性曲线，其次将锐化共焦特性曲线进行差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，然后利用该差动共焦特性曲线零点与差动共焦测量系统焦点精确对应所述特性对被测超长焦距测量时各顶点位置进行高精度定焦寻位，最后通过光线追迹补偿计算来精确得到超长焦距，实现超长焦距的高精度测量。本发明具有测量精度高、抗环境干扰能力强和结构简单等优势，在光学精密测量技术领域具有广泛的应用前景。

Description

横向相减差动共焦超长焦距测量方法
技术领域
本发明涉及一种横向相减差动共焦超长焦距测量方法，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 Talboteffect 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)测量光路长，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。
针对超长焦距高精度测量难题，本发明人曾将用于微观测量领域的共焦显微成像原理进行了原理层面的再创新，在国际上首次成功地将显微成像测试领域的共焦显微技术开拓性地用于大尺寸的光学元件测量领域，相关论文发表在国际光学领域著名期刊OpticsExpress等上(Optics Express,v17,n22,2009；Optics Express,v18,n3,2010；OpticsExpress,v21,n19,2013)，同时还申请并授权了中国发明专利“共焦组合超长焦距测量方法与装置”(ZL 200810226967.6)、“差动共焦组合超长焦距测量方法与装置”(ZL200810226966.1)和“差动共焦内调焦法透镜光轴及厚度测量方法与装置”(ZL 201010121848.1)等多项发明专利，但上述发明人论文和专利中超长焦距测量定焦时仍然存在定焦灵敏度不高、抗环境干扰能力不足和定焦系统复杂等问题。
基于此，本发明提出一种横向相减差动共焦超长焦距测量方法，采用大、小虚拟针孔探测区域(图像区)探测的两条共焦特性曲线的相减处理来锐化共焦特性曲线，利用差动相减处理得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，利用该横向相减差动共焦特性曲线零点对超长焦距测量中各特征点实现高精度定焦，进而实现超长焦距的高精度测量。该超长焦距测量方法为超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
为了解决超长焦距高精度测量难题，本发明公开的横向相减差动共焦超长焦距测量方法的目的是：提升焦点位置捕获精度，进而提高超长焦距测量中平面反射镜位置的定焦精度，以期实现超长焦距的高精度测量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的横向相减差动共焦超长焦距测量方法，在差动共焦测量系统中，通过大、小虚拟针孔横向相减探测来锐化离焦探测光路系统的共焦特性曲线，通过双光路探测焦前和焦后锐化共焦特性曲线的差动相减处理来实现平面反射镜位置的差动共焦双极性定焦，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，进而提高超长焦距测量中平面反射镜位置的定焦精度，以期实现超长焦距的高精度测量。
本发明公开的横向相减差动共焦超长焦距测量方法，包括以下步骤：
a)打开点光源，调整平面反射镜使其与参考透镜和准直透镜共光轴，点光源发出的光透过分束镜、准直透镜和参考透镜后汇聚成测量光束照射在平面反射镜上。
b)平面反射镜反射的聚焦测量光束再经参考透镜和准直透镜后被分束镜反射进入到横向相减差动共焦探测系统，测量光束的焦前测量艾里斑被CCD探测器探测，焦后测量艾里斑被CCD探测器探测；
c)沿光轴方向移动平面反射镜使测量光束的焦点与平面反射镜的顶点A点位置重合；在顶点A点位置附近相对轴向扫描平面反射镜，将横向相减差动共焦探测系统中焦前大虚拟针孔探测域探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线IB1(z,-uM)和焦前小虚拟针孔探测域探测到的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线IS1(z,-uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线I1(z,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；将横向相减差动共焦探测系统中焦后大虚拟针孔探测域探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线IB2(z,+uM)和焦后小虚拟针孔探测域探测到的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线IS2(z,+uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线I2(z,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子，uM为焦前CCD探测器偏离焦前显微物镜焦平面的距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器偏离焦后显微物镜焦平面的距离M的归一化距离；将焦后横向相减锐化共焦特性曲线I2(z,+uM)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线I1(z,-uM)进行差动相减即得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线ID(z)：
ID(z)＝I2(z,+uM)-I1(z,-uM) (1)
通过离散横向相减差动共焦特性曲线ID(z)的拟合直线零点来精确确定平面反射镜的表面顶点A位置，记录此时平面反射镜的表面位置Z1；
d)将被测透镜插入准直透镜和参考透镜之间，并调整被测透镜使其与准直透镜和参考透镜同光轴，则测量光束的焦点位置由A变到B；
e)继续沿光轴方向移动平面反射镜，使平面反射镜的表面与测量光束的焦点B重合；在B点位置附近轴向扫描平面反射镜，由横向相减差动共焦探测系统依次通过处理测得的焦前测量艾里斑和焦后测量艾里斑分别得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线和焦后横向相减锐化共焦特性曲线，通过锐化共焦特性曲线和焦后横向相减锐化共焦特性曲线的差动相减处理得到与平面反射镜表面B点位置附近对应的横向相减差动共焦特性曲线，最后通过横向相减差动共焦特性曲线的线性拟合零点精确确定平面反射镜的表面位置B，记录此时平面反射镜表面位置Z2，计算平面反射镜位置A和位置B之间的距离Δ＝Z2-Z1，同时测得被测透镜和参考透镜之间的距离d0。
f)由下式计算被测透镜与参考透镜的主平面间距d：
Figure BDA0002033931510000041
其中，被测透镜参数为：厚度b1、折射率n1、曲率半径r11和r12；参考透镜参数为：焦距f2'、厚度b2、折射率n2、曲率半径r21和r22。
g)由下式计算被测透镜的焦距值：
Figure BDA0002033931510000051
有益效果：
1)本发明公开的横向相减差动共焦超长焦距测量方法，利用大、小虚拟针孔探测横向相减锐化共焦特性曲线，利用锐化共焦响应特性曲线的差动相减处理来实现平面反射镜表面位置的差动共焦双极性精密定位，进而显著提高差动共焦定焦曲线的定焦灵敏度和信噪比，使超长焦距测量中移动平面反射镜的定位精度显著提高，以期显著提升超长焦距测量精度。
2)本发明公开的横向相减差动共焦超长焦距测量方法，在未增加硬件成本的情况下，能够提高差动共焦测量系统的测量精度。
3)本发明公开的横向相减差动共焦超长焦距测量方法，通过大小虚拟光斑探测区横向相减处理探测，有效消除共模噪声，提升测量系统的抗环境干扰能力。
4)相比于经典的高精度干涉超长焦距测量方法，本发明公开的横向相减差动共焦超长焦距测量方法，由于采用非干涉的艾里斑中心强度“点探测”方式，能够克服现有干涉定焦法对系统像差、环境振动、气流干扰和样品表面粗糙度极度灵敏的不足，大幅提高抗系统像差、环境干扰和表面散射的能力，能够显著提高超长焦距测量精度。
附图说明
图1为本发明横向相减差动共焦超长焦距测量方法示意图；
图2为本发明大小虚拟针孔共焦特性曲线横向相减锐化示意图；
图3为本发明锐化共焦特性曲线横向相减差动相减示意图；
图4为本发明横向相减差动共焦曲线线性拟合触发定焦示意图；
图5为本发明实施例横向相减差动共焦超长焦距测量方法示意图；
图6为本发明实施例的数据图；
其中：1-点光源、2-分束镜、3-准直透镜、4-参考透镜、5-聚焦测量光束、6-平面反射镜、7-横向相减差动共焦探测系统、8-分光镜、9-焦前显微物镜、10-焦前CCD探测器、11-焦后显微物镜、12-焦后CCD探测器、13-焦前测量艾里斑、14-焦前大虚拟针孔探测域、15-焦前小虚拟针孔探测域、16-焦后测量艾里斑、17-焦后大虚拟针孔探测域、18-焦后小虚拟针孔探测域、19-焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线、20-焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线、21-焦前横向相减锐化共焦特性曲线、22-焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线、23-焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线、24-焦后横向相减锐化共焦特性曲线、25-横向相减差动共焦特性曲线、26-横向相减差动共焦特性曲线、27-差动共焦线性拟合直线、28-拟合直线零点、29-图像采集系统、30-主控计算机、31-多路电机驱动系统、32-轴向测量运动系统、33-五维调整系统、34-激光器、35-显微物镜、36-针孔、37-被测透镜。
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。
本实施例使用横向相减差动共焦超长焦距测量方法来实现超长焦距的高精度测量，核心思想：在差动共焦测量系统中，通过大、小虚拟针孔横向相减探测来锐化共焦特性曲线，通过锐化共焦响应特性曲线的差动相减处理探测来实现超长焦距测量中平面反射镜位置的精确定焦，进而达到提高超长焦距测量精度的目的。
实施例：
如图5所示，本实施例是基于附图1的横向相减差动共焦超长焦距测量方法，其测量步骤是：
a)启动主控计算机30的测量软件，打开激光器34，激光器34发出的光经过显微物镜35和针孔36后形成点光源1。
b)调整平面反射镜6使其与参考透镜4和准直透镜3共光轴，点光源1发出的光透过分束镜2、准直透镜3和参考透镜4后汇聚成测量光束5聚焦在平面反射镜6顶点上，平面反射镜6顶点反射的聚焦测量光束5再经参考透镜4和准直透镜3后被分束镜2反射进入到横向相减差动共焦探测系统7，主控计算机30中的测量软件，通过图像采集系统29获得由焦前CCD探测器10采集到的焦前测量艾里斑13和焦后CCD探测器12采集到的焦后测量艾里斑16。
c)沿光轴方向移动平面反射镜6使测量光束5的焦点A与平面反射镜6的表面顶点位置重合；如图2所示，在该表面顶点位置附近沿轴向扫描平面反射镜6，将横向相减差动共焦探测系统7中焦前大虚拟针孔探测域14探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线19IB1(z,-uM)和焦前小虚拟针孔探测域15探测到的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线20IS1(z,-uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线21I1(z,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；将横向相减差动共焦探测系统7中焦后大虚拟针孔探测域17探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线22IB2(z,+uM)和焦后小虚拟针孔探测域18探测到的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线23IS2(z,+uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线24I2(z,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；
本实施例中，大虚拟针孔探测域直径选取11个像素，小虚拟针孔探测域直径选取5个像素，γ＝0.5，uM＝2.98。
d)如图3所示，将焦后横向相减锐化共焦特性曲线24I2(z,+uM)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线21I1(z,-uM)进行差动相减即可得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线25ID(z)＝I2(z,+uM)-I1(z,-uM)。
e)如图4所示，主控计算机30的测量软件对通过离散横向相减差动共焦特性曲线25ID(z)的拟合直线零点28来精确确定平面反射镜6的表面顶点A位置Z1，如图6所示，记录此时平面反射镜6的位置Z1＝-0.0002mm。
f)将被测透镜37插入准直透镜3和参考透镜4之间，调整被测透镜37使其与准直透镜3和参考透镜4同光轴，则测量光束5的焦点位置由A变到B；
主控计算机30通过多路电机驱动系统31和轴向测量运动系统32控制五维调整系统33继续沿参考透镜4的光轴方向相向移动平面反射镜6，使平面反射镜6的表面与测量光束5的焦点B重合。在该B点位置附近轴向扫描平面反射镜6，由横向相减差动共焦探测系统7依次通过处理测得的焦前测量艾里斑13和焦后测量艾里斑16分别得到焦前锐化共焦特性曲线21和焦后锐化共焦特性曲线24，通过焦前锐化共焦特性曲线21和焦后锐化共焦特性曲线24的差动相减处得到与平面反射镜6表面B点附近对应的横向相减差动共焦特性曲线26，最后通过横向相减差动共焦特性曲线26的线性拟合零点来精确确定平面反射镜6的表面位置B，如图6所示，记录此时平面反射镜6表面位置Z2＝286.4262mm，计算平面反射镜6位置A和位置B之间的距离Δ＝Z2-Z1＝286.4264mm，同时测得被测透镜37和参考透镜4之间的距离d0＝418.29mm。
f)由下式计算被测透镜31与参考透镜4的主平面间距d：
Figure BDA0002033931510000081
其中，被测透镜(31)参数为：厚度b1＝46.5mm、折射率n1＝1.5067、曲率半径r11＝9377mm、r12＝28133mm；参考透镜(4)参数为：焦距f2'＝2797.5220mm、折射率n2＝1.5067、曲率半径r21、r22＝∞。
g)由下式计算被测透镜31的焦距值为31218.34mm：
Figure BDA0002033931510000082
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 (1)

1.横向相减差动共焦超长焦距测量方法，其特征在于：通过大、小虚拟针孔横向相减探测锐化共焦特性曲线，通过锐化共焦特性曲线的差动相减处理探测实现超长焦距测量中平面反射镜位置的精确定焦，进而提高超长焦距测量精度；包括以下步骤，
a)打开点光源(1)，调整平面反射镜(6)使其与参考透镜(4)和准直透镜(3)共光轴，点光源(1)发出的光透过分束镜(2)、准直透镜(3)和参考透镜(4)后汇聚成聚焦测量光束(5)聚焦在平面反射镜(6)上；
b)平面反射镜(6)反射的聚焦测量光束(5)再经参考透镜(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射进入到横向相减差动共焦探测系统(7)，聚焦测量光束(5)形成的焦前测量艾里斑(13)被焦前CCD探测器(10)探测，焦后测量艾里斑(16)被焦后CCD探测器(12)探测；
c)沿光轴方向移动平面反射镜(6)使聚焦测量光束(5)的焦点A点与平面反射镜(6)的顶点位置重合；在所述顶点位置附近相对轴向扫描平面反射镜(6)，将横向相减差动共焦探测系统(7)中焦前大虚拟针孔探测域(14)探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)IB1(z,-uM)和焦前小虚拟针孔探测域(15)探测的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(20)IS1(z,-uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线(21)I1(z,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；将横向相减差动共焦探测系统(7)中焦后大虚拟针孔探测域(17)探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(22)IB2(z,+uM)和焦后小虚拟针孔探测域(18)探测到的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(23)IS2(z,+uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线(24)I2(z,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子，uM为焦前CCD探测器(10)偏离焦前显微物镜(9)焦平面的距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器(12)偏离焦后显微物镜(11)焦平面的距离M的归一化距离；将焦后横向相减锐化共焦特性曲线(24)I2(z,+uM)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线(21)I1(z,-uM)进行差动相减即得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线(25)ID(z)：
ID(z)＝I2(z,+uM)-I1(z,-uM) (1)
通过离散横向相减差动共焦特性曲线(25)ID(z)的拟合直线零点(28)精确确定平面反射镜(6)的表面顶点位置，记录此时平面反射镜(6)表面顶点的位置Z1；
d)将被测透镜(37)插入准直透镜(3)和参考透镜(4)之间，并调整被测透镜(37)使其与准直透镜(3)和参考透镜(4)同光轴，则聚焦测量光束(5)的焦点位置由A变到B；
e)继续沿光轴方向移动平面反射镜(6)，使平面反射镜(6)的表面与聚焦测量光束(5)的焦点B重合；在B点位置附近轴向扫描平面反射镜(6)，由横向相减差动共焦探测系统(7)依次通过处理测得的焦前测量艾里斑(13)和焦后测量艾里斑(16)分别得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线(21)和焦后横向相减锐化共焦特性曲线(24)，通过焦前横向相减锐化共焦特性曲线(21)和焦后横向相减锐化共焦特性曲线(24)的差动相减处理得到与平面反射镜(6)表面B点附近对应的横向相减差动共焦特性曲线(26)，最后通过横向相减差动共焦特性曲线(26)的线性拟合零点来精确确定平面反射镜(6)的表面位置B，记录此时平面反射镜(6)表面位置Z2，计算平面反射镜(6)位置A和位置B之间的距离Δ＝Z2-Z1，同时测得被测透镜(37)和参考透镜(4)之间的距离d0；
f)由下式计算被测透镜(37)与参考透镜(4)的主平面间距d：
Figure FDA0002655293410000021
其中，被测透镜(37)参数为：厚度b1、折射率n1、曲率半径r11和r12；参考透镜(4)参数为：焦距f2'、厚度b2、折射率n2、曲率半径r21和r22；
g)由下式计算被测透镜(37)的焦距值：
Figure FDA0002655293410000022
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