五棱镜组合超长焦距测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学精密测量技术领域，涉及一种五棱镜组合超长焦距测量方法与装置。本发明专利技术将五棱镜定焦法与组合透镜超长焦距测量技术相融合，实现大口径透镜的低成本、高精度超长焦距测量。本发明专利技术通过五棱镜将光路折转，把光轴方向的定焦过程转化为垂直光轴方向成像位置变化量的测量过程，进一步与组合透镜超长焦距测量技术相结合，压缩光路长度，增强测量分辨力。本发明专利技术的测量装置，包括光源、五棱镜、参考透镜、对准目标、ＣＣＤ探测器、准直镜，具有光路结构简单、光学部件引入的像差小，系统误差小、测量灵敏度高、抗环境干扰能力强的优点，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学精密测量
，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。
技术介绍
近年来，超长焦距透镜广泛应用于高能激光器、天文望远镜等大 型光学系统领域，此类大尺寸透镜的加工、检测与装配具有很高的难 度。作为超长焦距透镜的重要参数，其焦距测量一直是光学测量领域 的一个难点，主要因素在于焦深长，难以实现精确定焦；焦距长， 难以精密测长；光路长，测量容易受到环境干扰。由于上述因素的影响，传统的定焦方法难以实现超长焦距的高精 度测量。例如五棱镜法，采用平移五棱镜过程中光线会聚点的位置变 化量作为判据，判断透镜出射光的平行性，从而实现定焦。但由于超 长焦距透镜的焦深很长，因此测量敏感度低。如图1所示，在长达十 几米至几十米的测量光路中，轻微的环境扰动就能造成会聚点位置的 波动，因此无法利用亚像元超分辨技术等高精度信号处理方法，难以 进一步提高测量精度。针对超长焦距测量技术，国内学者提出了新的测量方法，发表的 文献主要包括《中国测试技术》的《泰伯一莫尔法测量长焦距系统的 焦距》；《光子学报》的《Ronchi光栅Talbot效应长焦距测量的准确度 极限研究》。此类技术主要采用了泰伯-莫尔法，利用Ronchi光栅、Talbot 效应实现定焦，通过数字信号处理技术测量焦距。该类测量方法的灵 敏度相比传统方法有所提高，但光路长、测量过程复杂、需测量的参 数多。相比较国外的长焦距测量技术，在《The Optical Society of America》中2002年发表的《Focal length measurements for the National Ignition Facility large lenses》中，采用了菲索干涉组合透镜超长焦距测 量技术进行长焦距测量，并达到很高的测量精度。该测量方法利用组 合透镜方法减小了光路长度、简化了测量过程。但此方法测量过程中，采用干涉条纹定焦，干涉图案易受温度、气流、振动等环境状态因素 的干扰，对测量环境提出了苛刻的要求。以上几种新型测量方法中，需要配备与被测透镜尺寸相当的大口径菲索干涉仪或Ronchi光栅作为核心器件，这导致测量系统的成本高、 结构复杂。相比之下，若采用五棱镜定焦法实现大口径焦距测量系统， 其成本低、结构简单，而进一步与组合透镜超长焦距测量技术相结合， 则可以克服五棱镜法在超长焦距测量中定焦灵敏度低、易受气流扰动 影响的弊端。迄今为止，将该两项技术相融合应用于定焦，继而实现 高精度超长焦距测量，尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是为了实现大口径、超长焦距透镜的高精度、 低成本焦距测量，通过五棱镜将光路折转，把光轴方向的定焦过程转 化为垂直光轴方向成像位置变化量的测量过程，进一步与组合透镜超 长焦距测量技术相结合，压縮光路长度，增强测量分辨力，而提供一 种五棱镜组合超长焦距测量方法。本专利技术的第二个目的是为实现五棱镜组合超长焦距测量方法而提 出一种五棱镜组合超长焦距测量装置本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的五棱镜组合超长焦距测量方法，其步骤包括(a) 测量开始前，调整测量光路，使对准目标的出射光经过参考透 镜会聚、五棱镜折转后，通过准直镜在CCD探测器上成像。(b) 测量过程中，首先使对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移 动，移动到新的扫描位置时，通过判断在光轴垂直方向平移五棱镜的 过程中，若CCD探测器上对准目标的成像位置未发生变化，则对准目 标的位置与参考透镜第二焦点位置重合；(c) 而后，将被测透镜置入五棱镜与参考透镜之间，并与参考透镜 共轴，再次使对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移动，并通过判断 在光轴垂直方向平移五棱镜的过程中，若CCD探测器上对准目标的成像位置未发生变化，则对准目标的位置与被测透镜、参考透镜组合后 的第一焦点位置相重合；5(C)而后，测量第一焦点位置与第二焦点位置之间的距离A，测量 被测透镜与参考透镜的间距d。，由下式计算被测透镜与参考透镜的 主平面间距d:"1 12 -。 1) + ("1 - "2 0 22 -r21) + ("2 - D62已知参数包括被测透镜的厚度^、折射率m、曲率半径 、r12，参考透镜的焦距力'、厚度62、折射率W2、曲率半径 、r22; (d)最后，由下式计算被测透镜的焦距值/2'—△ /2'本专利技术的五棱镜组合超长焦距测量方法，还可以在测量过程中通 过滤光镜滤除环境杂散光，提高测量的抗干扰能力。本专利技术的五棱镜组合超长焦距测量方法，还可以在测量过程中使用亚像元超分辨技术处理CCD探测器的信号，提高本测量方法的灵敏度。本专利技术的五棱镜组合超长焦距测量方法中，所述的被测透镜可置 于参考透镜前，也可置于参考透镜后。本专利技术的五棱镜组合超长焦距测量装置，包括光源、五棱镜、参考透镜、对准目标、CCD探测器、准直镜；其中对准目标、参考透镜、五棱镜依次放在光源的光线出射方向，光线经五棱镜折转后透过准直镜在CCD探测器上成像；对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移动， 并配合五棱镜、CCD探测器实现第一焦点位置与第二焦点位置的定焦。本专利技术的五棱镜组合超长焦距测量装置，还可以包括滤光镜，放 置于五棱镜与准直镜之间，用于滤除环境杂散光，提高测量装置的抗 干扰能力。本专利技术的五棱镜组合超长焦距测量装置中的CCD探测器可以是 阵列式图像传感器，也可以是PSD位置传感器。有益效果本专利技术对比已有技术具有以下显著优点1. 首次将五棱镜定焦法与组合透镜超长焦距测量技术相融合，实 现大口径透镜的低成本、高精度超长焦距测量。2. 与大口径干涉仪测量方法相比，采用成像位置变化量作为定焦 判据，成像质量略差时，不影响成像位置变化量的测量，因此该测量 方法对透镜像差的影响不敏感，由测量光路引入的像差对测量造成的 误差小。3. 与大口径干涉仪或Ronchi光栅测量方法相比，本专利技术的光学 部件少，引入的测量系统误差少，光路结构简单，成本低廉。4. 采用组合透镜超长焦距测量技术，压縮了测量光路长度，减小 了焦深，提高了定焦测量分辨力，减小了环境扰动对测量精度的影响。5. 采用亚像元超分辨技术相配合，在超长焦距测量中对CCD像 元进行超分辨细分，利用软件方法进一步提高了 CCD探测器分辨力， 增强定焦灵敏度。附图说明图1为空气扰动影响传统五棱镜法测量精度的原理示意图2为本专利技术测量方法与装置的示意图3为本专利技术实施例的示意图4为实施例测量步骤(a)的定焦原理示意图5为实施例测量过程中CCD摄像机图像的示意图6为实施例测量步骤(b)的定焦原理示意其中l-滤光镜、2-五棱镜、3-被测透镜、4-间距do、 5-参考透镜、 6_第一焦点位置、7-距离A、 8-第二焦点位置、9-对准目标、10-光源、 ll-CCD探测器、12-准直镜、13-平移台、14-量块、15-连杆、16-平移 台、17-平移台、18-第一次测量离焦量、19-狭缝像、20-第二次测量离具体实施例方式下面以口径300mm焦距30000mm的被测超长焦距透镜作为被测 透镜，结合附图对本专利技术作进一步说明。7此实施例通过一系列的措施实现了超长焦距的高精度测量，实现 了五棱镜组合超长焦距测量方法与装置。与传统测量方法相比，本实施例的相对测量误差可达0本文档来自技高网...

【技术保护点】
五棱镜组合超长焦距测量方法，其特征在于测量步骤包括　（ａ）测量开始前，调整测量光路，使对准目标的出射光经过参考透镜会聚、五棱镜折转后，通过准直镜在ＣＣＤ探测器上成像；　（ｂ）测量过程中，首先使对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移动，移动到新的扫描位置时，通过判断在光轴垂直方向平移五棱镜的过程中，若ＣＣＤ探测器上对准目标的成像位置未发生变化，则对准目标的位置与参考透镜第二焦点位置重合；　（ｃ）而后，将被测透镜置入五棱镜与参考透镜之间，并与参考透镜共轴，再次使对准目标在参考透镜的光轴方向扫描移动，并通过判断在光轴垂直方向平移五棱镜的过程中，若ＣＣＤ探测器上对准目标的成像位置未发生变化，则对准目标的位置与被测透镜、参考透镜组合后的第一焦点位置相重合；　（ｃ）而后，测量第一焦点位置与第二焦点位置之间的距离Δ，测量被测透镜与参考透镜的间距ｄ↓［０］，由下式计算被测透镜与参考透镜的主平面间距ｄ：　＊＊＊　已知参数包括被测透镜的厚度ｂ↓［１］、折射率ｎ↓［１］、曲率半径ｒ↓［１１］、ｒ↓［１２］，参考透镜的焦距ｆ↓［２］′、厚度ｂ↓［２］、折射率ｎ↓［２］、曲率半径ｒ↓［２１］、ｒ↓［２２］；　（ｄ）最后，由下式计算被测透镜的焦距值：　＊＊＊。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，孙若端，何川，沙定国，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]