CN204855140U - 基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置，属于光学精密测量技术领域中的基于组合透镜法测试焦距的测量装置和，其目的在于提供一种基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置。该测量装置可实现在标准透镜参数未知的情况下的焦距测量；极大缩短了待测透镜的空间测量长度，可实现大口径近轴焦距检测；利用干涉条纹和光栅尺探头准确定位标准透镜以及组合透镜焦点位置，减小了球差的影响；将常规组合透镜方法中两透镜顶点之间的距离检测转换为标准透镜移动距离的检测，简化了测量方法并有效的提高了该距离值的检测可靠性。该装置具有结构简单、测量精度高、测量简单便捷等优点。

Description

基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置

技术领域

本实用新型属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于组合透镜法测试焦距的测量装置，尤其涉及一种采用了光栅尺三探头结构的基于组合透镜法测试焦距的测量装置。

背景技术

焦距是透镜类光学元件的一项非常重要的指标，对焦距测量的准确度直接关系到整个光学系统的性能。随着高功率激光技术等大型光学系统的发展，对长焦距透镜的需求以及测量精度的要求越来越高。目前，常用的焦距检测方法有：物距像距法、自准直法、全息法、精密测角法、莫尔条纹法、朗奇光栅泰伯效应法、组合透镜法等。但对于长焦透镜焦距测量，为了得到高测量精度，必须尽可能的控制空气扰动及振动等环境因素，而上述大多数方法因具有过长空间测量距离而不能满足测量要求。

基于朗奇光栅泰伯效应的长焦距测量技术是近期发展起来的一种新兴技术，已经成功应用于长焦透镜的加工检测。但其测量口径小，不能测量全口径，而且透镜自身的像差严重影响不同位置的测量结果。组合透镜法也是一种常用的透镜长焦距检测方法，其利用标准球面透镜和待测透镜组合，可极大缩短透镜的空间测量长度，避免环境干扰，而且可以做到全口径检测。

如申请号为200810226966.1的发明专利就公开了一种差动共焦组合超长焦距测量方法与装置，该测量方法首先通过差动共焦定焦原理分别确定参考透镜焦点和被测透镜与参考透镜组合的焦点位置，然后测量两焦点间的距离和两透镜的间距，代入公式计算被测透镜的焦距值，同时测量过程中还可以通过光瞳滤波技术提高焦距测量灵敏度。该测量装置包括光源、分光系统、参考透镜、反射镜、差动共焦定焦系统；其中分光系统、参考透镜和反射镜依次放在光源出射光线方向，差动共焦定焦系统放置在分光系统的反射方向，反射镜与分光系统将光束反射至差动共焦定焦系统，并配合差动共焦定焦系统实现焦点位置a与焦点位置b的定焦。该发明虽融合了差动共焦定焦原理与组合透镜法，可用于超长焦距透镜的检测与光学系统装配过程中的高精度焦距测量。但是，采用该发明专利中的测量方法及测量装置进行焦距的测量时，与现有的焦距测量方法与测量装置一样，均需要知道标准(或参考)透镜的焦距、标准(或参考)透镜的顶点与待测透镜的顶点之间的距离等参数，将这些参数代入对应的公式中得出待测透镜的焦距。然而，标准(或参考)透镜的焦距在进行测量时本身就存在测量误差，在测量标准(或参考)透镜的顶点与待测透镜的顶点之间的距离时通常是进行直接测量，很难精确测量量透镜的顶点之间的距离，因而通过这些参数导入对应公式计算焦距时，由于引入了标准(或参考)透镜的焦距、标准(或参考)透镜的顶点与待测透镜的顶点之间的距离等参数的误差，且误差还较大，因而无法满足高精度的焦距测量的要求。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置，将常规组合透镜方法中两透镜顶点之间的距离检测转换为标准透镜移动距离的检测，利用干涉条纹和光栅尺探头准确定位标准透镜以及组合透镜的焦点位置，从而简化了测量方法，可实现在标准透镜参数未尽知的情况下焦距的测量，提高对待测透镜的焦距的测量精度。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置，包括干涉仪系统和光栅尺，所述光栅尺上沿光栅尺的长度方向依次设置有第一支架、第二支架和第三支架，所述第一支架、第二支架和第三支架可分别单独沿光栅尺的长度方向移动；所述第一支架的连接端、自由端分别连接有第一探头、标准透镜，所述第二支架的连接端、自由端分别连接有第二探头、待测透镜，所述第三支架的连接端、自由端分别连接有第三探头、平面反射镜；所述干涉仪系统出射的准直激光依次经标准透镜、待测透镜后聚焦在平面反射镜上，并在平面反射镜上产生反射形成反射激光，反射激光依次经待测透镜、标准透镜后进入干涉仪系统。

作为本实用新型的优选方案，所述干涉仪系统为斐索干涉仪系统、迈克尔逊干涉仪系统或泰曼格林干涉仪系统。

作为本实用新型的优选方案，所述干涉仪系统为斐索干涉仪系统，所述斐索干涉仪系统包括激光器、显微物镜、分束器、透镜、CCD探测器和准直透镜；所述激光器出射的激光经显微物镜后入射至分束器并有分束器分成参考激光和测量激光，所述参考激光经透镜后入射至CCD探测器；所述测量激光经准直透镜后形成准直激光，透过标准透镜、待测透镜后经平面反射镜反射的激光经准直透镜后入射至分束器并在分束器上产生反射形成再反射激光，所述再反射激光经透镜后入射至CCD探测器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的检测装置中，标准透镜、待测透镜和平面反射镜依次沿光路设置，采用该检测装置进行检测时，将传统方法中“测量标准透镜的顶点与待测透镜的顶点之间的距离”更改为“测量标准透镜的移动距离”，因而可在标准透镜的相关参数未知的情况下进行待测透镜的焦距，有效避免了因引入标准透镜的参数的误差造成的待测透镜的焦距的测量误差，提高待测透镜的焦距的测量精度；该检测装置中设置有光栅尺，光栅尺上的探头记录并读出对应透镜或平面镜所在的位置，并通过光栅尺可准确计量透镜与透镜之间、透镜与反射镜之间的间距，有效避免或减少因直接测量透镜与透镜之间、透镜与反射镜之间的间距造成的待测透镜的焦距的测量误差，提高待测透镜的焦距的测量精度；此外，该检测装置通过利用干涉条纹和光栅尺探头准确定位标准透镜以及组合透镜焦点位置，减小了球差的影响，且能极大缩短透镜的空间测量长度，实现大口径近轴焦距检测。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中另一实施例的结构示意图；

其中，附图标记为：1—干涉仪系统、2—光栅尺、3—第一探头、4—标准透镜、5—第二探头、6—待测透镜、7—第三探头、8—平面反射镜、11—激光器、12—显微物镜、13—分束器、14—透镜、15—CCD探测器、16—准直透镜、21—第一支架、22—第二支架、23—第三支架。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

一种基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置，该测量装置通过组合透镜法测量待测透镜的焦距。

该测量装置包括干涉仪系统1和光栅尺2。该干涉仪系统1可选用斐索干涉仪系统1、迈克尔逊干涉仪系统1或泰曼格林干涉仪系统1。光栅尺2上设置有第一支架21、第二支架22和第三支架23，第一支架21、第二支架22和第三支架23沿光栅尺2的长度方向依次设置，且该第一支架21、第二支架22和第三支架23均可分别单独在光栅尺2上沿光栅尺2的长度方向移动。该第一支架21的连接端连接在光栅尺2上，且该第一支架21的连接端设置有第一探头3；第一支架21的另一端为自由端，且该自由端上设置有标准透镜4，第一探头3和标准透镜4均可随第一支架21一起沿光栅尺2的长度方向移动。该第二支架22的连接端连接在光栅尺2上，且该第二支架22的连接端设置有第二探头5；第二支架22的另一端为自由端，且该自由端上设置有待测透镜6，第二探头5和待测透镜6均可随第二支架22一起沿光栅尺2的长度方向移动。该第三支架23的连接端连接在光栅尺2上，且该第三支架23的连接端设置有第三探头7；第三支架23的另一端为自由端，且该自由端上设置有平面反射镜8，第三探头7和平面反射镜8均可随第三支架23一起沿光栅尺2的长度方向移动。

干涉仪系统1出射的准直激光依次经标准透镜4、待测透镜6后聚焦在平面反射镜8上，并在平面反射镜8上产生反射形成反射激光，反射激光依次经待测透镜6、标准透镜4后进入干涉仪系统1，然后再与干涉仪系统1中的参考光束产生干涉并在干涉仪系统1的CCD探测器15上形成干涉条纹，根据CCD探测器15上的干涉条纹来判定标准透镜和待测透镜的焦顶点位置以及组合透镜的焦点位置，进行精确定位。

使用该测量装置进行测量时，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、取出基于组合透镜法的光栅尺2三探头焦距测量装置中的平面反射镜8，调节标准透镜4与待测透镜6之间的间距，使待测透镜6的顶点位于标准透镜4的焦点C处，第一探头3、第二探头5分别对应记录此时标准透镜4的位置点A、待测透镜6的位置点C，通过光栅尺2读出第一探头3、第二探头5的位置并读出两者之间的间距，该间距为标准透镜4的焦距f₁。确定待测透镜6的顶点是否位于标准透镜4的焦点C处是通过参考激光和再反射激光入射在干涉仪系统1中CCD探测器15上形成的干涉条纹(干涉猫眼条纹)来判定的。

步骤二、将标准透镜4往远离干涉仪系统1的方向移动一段距离至位置点B，将平面反射镜8放入基于组合透镜法的光栅尺2三探头焦距测量装置中，并调节平面反射镜8的位置，使平面反射镜8位于标准透镜4和待测透镜6组成的组合透镜焦点D处，第一探头3、第三探头7分别对应记录此时标准透镜4的位置点B、平面反射镜8的位置点D，通过光栅尺2读出第一探头3、第三探头7的位置以及标准透镜4的移动距离Δ和待测透镜6的左顶点与平面反射镜8之间的间距S。确定平面反射镜8是否位于标准透镜4和待测透镜6组成的组合透镜焦点D处是通过参考激光和再反射激光入射在干涉仪系统1中CCD探测器15上形成的干涉条纹(干涉猫眼条纹)来判定的。

步骤三、根据公式得到待测透镜6的焦距f₂，其中Δ为步骤二中标准透镜4的移动距离，S为步骤二中待测透镜6的左顶点与平面反射镜8之间的间距。

其中，步骤三中的计算公式的推导如下：

根据几何光学组合透镜原理，组合透镜焦距可表示为：

$\begin{array}{cc}f=\frac{1}{\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2}-\frac{d}{f_1{f}_2}}& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(0.1\right)$

$\begin{array}{cc}f=f_1\·(-\frac{S_1}{S_2})& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(0.2\right)$

其中f为组合透镜焦距；f₁为标准透镜4的焦距；f₂为待测透镜6焦距；d为标准透镜4的顶点与待测透镜6的顶点之间的距离；S₁为待测透镜6的物距；S₂为待测透镜6的像距。

若标准透镜4和待测透镜6均为薄透镜14，可得到：

$\begin{array}{cc}f=f_1\·(1-\frac{\mathrm{\Δ}-S}{f_1-d})& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(0.3\right)$

由说明书附图的图1可知：

f₁-d＝S\*MERGEFORMAT(0.4)

由式(0.1)～(0.4)可得到待测透镜6焦距

$\begin{array}{cc}{f}_2=\frac{S\·\mathrm{\Δ}}{\mathrm{\Δ}-S}& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(0.5\right)$

标准透镜4、待测透镜6和平面反射镜8依次沿光路设置，采用该检测装置进行检测时，将传统方法中“测量标准透镜4的顶点与待测透镜6的顶点之间的距离”更改为“测量标准透镜4的移动距离”，因而可在标准透镜4的相关参数未知的情况下进行待测透镜6的焦距，有效避免了因引入标准透镜4的参数的误差造成的待测透镜6的焦距的测量误差，提高待测透镜6的焦距的测量精度；该检测装置中设置有光栅尺2，光栅尺2上的探头记录并读出对应透镜14或平面镜所在的位置，并通过光栅尺2可准确计量透镜14与透镜14之间、透镜14与反射镜之间的间距，有效避免或减少因直接测量透镜14与透镜14之间、透镜14与反射镜之间的间距造成的待测透镜6的焦距的测量误差，提高待测透镜6的焦距的测量精度；此外，该检测装置通过利用干涉条纹和光栅尺2探头准确定位标准透镜4以及组合透镜焦点位置，减小了球差的影响，且能极大缩短透镜14的空间测量长度，实现大口径近轴焦距检测。

实施例2

在实施例一的基础上，该干涉仪系统1选用斐索干涉仪系统1。该斐索干涉仪系统1包括激光器11、显微物镜12、分束器13、透镜14、CCD探测器15和准直透镜16。激光器11出射的激光经显微物镜12后入射至分束器13，激光经由分束器13后被分成参考激光和测量激光两束激光，其中参考激光经透镜14透射后入射至CCD探测器15，其中测量激光经准直透镜16后形成准直激光，准基激光依次经经标准透镜4、待测透镜6后聚焦在平面反射镜8上，并在平面反射镜8上产生反射形成反射激光，反射激光依次经待测透镜6、标准透镜4、准直透镜16后入射至分束器13，入射至分束器13的反射激光在分束器13上产生反射形成再反射激光，再反射激光经透镜14透射后入射至CCD探测器15。参考激光和再反射激光入射至CCD探测器15上时在CCD探测器15上形成干涉条纹，根据CCD探测器15上的干涉条纹来判定对应透镜14或平面镜的位置，进行精确定位。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置，其特征在于：包括干涉仪系统（1）和光栅尺（2），所述光栅尺（2）上沿光栅尺（2）的长度方向依次设置有第一支架（21）、第二支架（22）和第三支架（23），所述第一支架（21）、第二支架（22）和第三支架（23）可分别单独沿光栅尺（2）的长度方向移动；所述第一支架（21）的连接端、自由端分别连接有第一探头（3）、标准透镜（4），所述第二支架（22）的连接端、自由端分别连接有第二探头（5）、待测透镜（6），所述第三支架（23）的连接端、自由端分别连接有第三探头（7）、平面反射镜（8）；所述干涉仪系统（1）出射的准直激光依次经标准透镜（4）、待测透镜（6）后聚焦在平面反射镜（8）上，并在平面反射镜（8）上产生反射形成反射激光，反射激光依次经待测透镜（6）、标准透镜（4）后进入干涉仪系统（1）。

2.如权利要求1所述的基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置，其特征在于：所述干涉仪系统（1）为斐索干涉仪系统（1）、迈克尔逊干涉仪系统（1）或泰曼格林干涉仪系统（1）。

3.如权利要求2所述的基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置，其特征在于：所述干涉仪系统（1）为斐索干涉仪系统（1），所述斐索干涉仪系统（1）包括激光器（11）、显微物镜（12）、分束器（13）、透镜（14）、CCD探测器（15）和准直透镜（16）；所述激光器（11）出射的激光经显微物镜（12）后入射至分束器（13）并有分束器（13）分成参考激光和测量激光，所述参考激光经透镜（14）后入射至CCD探测器（15）；所述测量激光经准直透镜（16）后形成准直激光，透过标准透镜（4）、待测透镜（6）后经平面反射镜（8）反射的激光经准直透镜（16）后入射至分束器（13）并在分束器（13）上产生反射形成再反射激光，所述再反射激光经透镜（14）后入射至CCD探测器（15）。