[發(fā)明專利]五棱鏡組合超長焦距測量方法與裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910079327.1
• 申請日: 2009-03-06
• 公開（公告）號: CN101493376A
• 公開（公告）日: 2009-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙維謙;孫若端;何川;沙定國
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心
• 代理人: 張利萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域，可用于超長焦距透鏡的檢測與光學(xué)系統(tǒng)裝配過程中的高精度焦距測量。

技術(shù)背景

近年來，超長焦距透鏡廣泛應(yīng)用于高能激光器、天文望遠(yuǎn)鏡等大型光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，此類大尺寸透鏡的加工、檢測與裝配具有很高的難度。作為超長焦距透鏡的重要參數(shù)，其焦距測量一直是光學(xué)測量領(lǐng)域的一個難點(diǎn)，主要因素在于：焦深長，難以實(shí)現(xiàn)精確定焦；焦距長，難以精密測長；光路長，測量容易受到環(huán)境干擾。

由于上述因素的影響，傳統(tǒng)的定焦方法難以實(shí)現(xiàn)超長焦距的高精度測量。例如五棱鏡法，采用平移五棱鏡過程中光線會聚點(diǎn)的位置變化量作為判據(jù)，判斷透鏡出射光的平行性，從而實(shí)現(xiàn)定焦。但由于超長焦距透鏡的焦深很長，因此測量敏感度低。如圖1所示，在長達(dá)十幾米至幾十米的測量光路中，輕微的環(huán)境擾動就能造成會聚點(diǎn)位置的波動，因此無法利用亞像元超分辨技術(shù)等高精度信號處理方法，難以進(jìn)一步提高測量精度。

針對超長焦距測量技術(shù)，國內(nèi)學(xué)者提出了新的測量方法，發(fā)表的文獻(xiàn)主要包括：《中國測試技術(shù)》的《泰伯一莫爾法測量長焦距系統(tǒng)的焦距》；《光子學(xué)報》的《Ronchi光柵Talbot效應(yīng)長焦距測量的準(zhǔn)確度極限研究》。此類技術(shù)主要采用了泰伯-莫爾法，利用Ronchi光柵、Talbot效應(yīng)實(shí)現(xiàn)定焦，通過數(shù)字信號處理技術(shù)測量焦距。該類測量方法的靈敏度相比傳統(tǒng)方法有所提高，但光路長、測量過程復(fù)雜、需測量的參數(shù)多。

相比較國外的長焦距測量技術(shù)，在《The?Optical?Society?ofAmerica》中2002年發(fā)表的《Focal?length?measurements?for?the?NationalIgnition?Facility?large?lenses》中，采用了菲索干涉組合透鏡超長焦距測量技術(shù)進(jìn)行長焦距測量，并達(dá)到很高的測量精度。該測量方法利用組合透鏡方法減小了光路長度、簡化了測量過程。但此方法測量過程中，采用干涉條紋定焦，干涉圖案易受溫度、氣流、振動等環(huán)境狀態(tài)因素的干擾，對測量環(huán)境提出了苛刻的要求。

以上幾種新型測量方法中，需要配備與被測透鏡尺寸相當(dāng)?shù)拇罂趶椒扑鞲缮鎯x或Ronchi光柵作為核心器件，這導(dǎo)致測量系統(tǒng)的成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。相比之下，若采用五棱鏡定焦法實(shí)現(xiàn)大口徑焦距測量系統(tǒng)，其成本低、結(jié)構(gòu)簡單，而進(jìn)一步與組合透鏡超長焦距測量技術(shù)相結(jié)合，則可以克服五棱鏡法在超長焦距測量中定焦靈敏度低、易受氣流擾動影響的弊端。迄今為止，將該兩項(xiàng)技術(shù)相融合應(yīng)用于定焦，繼而實(shí)現(xiàn)高精度超長焦距測量，尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一個目的是為了實(shí)現(xiàn)大口徑、超長焦距透鏡的高精度、低成本焦距測量，通過五棱鏡將光路折轉(zhuǎn)，把光軸方向的定焦過程轉(zhuǎn)化為垂直光軸方向成像位置變化量的測量過程，進(jìn)一步與組合透鏡超長焦距測量技術(shù)相結(jié)合，壓縮光路長度，增強(qiáng)測量分辨力，而提供一種五棱鏡組合超長焦距測量方法。

本發(fā)明的第二個目的是為實(shí)現(xiàn)五棱鏡組合超長焦距測量方法而提出一種五棱鏡組合超長焦距測量裝置

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明的五棱鏡組合超長焦距測量方法，其步驟包括：

(a)測量開始前，調(diào)整測量光路，使對準(zhǔn)目標(biāo)的出射光經(jīng)過參考透鏡會聚、五棱鏡折轉(zhuǎn)后，通過準(zhǔn)直鏡在CCD探測器上成像。

(b)測量過程中，首先使對準(zhǔn)目標(biāo)在參考透鏡的光軸方向掃描移動，移動到新的掃描位置時，通過判斷在光軸垂直方向平移五棱鏡的過程中，若CCD探測器上對準(zhǔn)目標(biāo)的成像位置未發(fā)生變化，則對準(zhǔn)目標(biāo)的位置與參考透鏡第二焦點(diǎn)位置重合；

(c)而后，將被測透鏡置入五棱鏡與參考透鏡之間，并與參考透鏡共軸，再次使對準(zhǔn)目標(biāo)在參考透鏡的光軸方向掃描移動，并通過判斷在光軸垂直方向平移五棱鏡的過程中，若CCD探測器上對準(zhǔn)目標(biāo)的成像位置未發(fā)生變化，則對準(zhǔn)目標(biāo)的位置與被測透鏡、參考透鏡組合后的第一焦點(diǎn)位置相重合；

(c)而后，測量第一焦點(diǎn)位置與第二焦點(diǎn)位置之間的距離Δ，測量被測透鏡與參考透鏡的間距d₀，由下式計算被測透鏡與參考透鏡的主平面間距d：