本发明专利技术属于光学精密测量技术领域，涉及一种多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置。该方法通过在被测镜后引入平行平晶和反射镜对聚焦光束进行多次反射，利用激光共焦光强响应曲线最大值点与会聚点精确对应这一特性，对多次折返后不同反射次数的会聚点进行高精度定焦，再由测长干涉仪精确测得反射镜位置信息，继而实现长焦距高精度测量。本发明专利技术提出的共焦定焦原理与多次反射式折返原理相结合的方法，极大程度压缩了测量光路，大幅缩短了测量距离，简化了测量光路，从而减少了仪器结构，抗高了抗环境干扰能力，可用于长焦距透镜或光学系统焦距的高精度测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置，属于光学元件参数 精密测量
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 of Optical Technology〉〉中发表的〈〈Measuring the focal lengths of long-focus optical systems》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 the focal 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 步提尚。 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 Talbot effct 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 large aperture》，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 % 〇 为进一步提高测量精度，又在2014年《Optics express》中发表的《Long focal-length measurement using 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)焦距长，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。 基于此，本专利技术提出一种多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置，该方法利 用多次反射式光路折叠技术，减少了测量光路和测长距离，采用共焦探测技术，以轴向光强 信息为测量评价尺度，遏制了系统共模信号干扰，提高了环境抗干扰能力。多次反射式激光 共焦长焦距测量方法为长焦距的高精度测量提供了一个全新的技术途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决长焦距透镜焦距的高精度测量难题，提出了一种多次反 射式激光共焦长焦距测量方法方法与装置。该方法通过在被测镜后引入平行平晶和反射镜 对聚焦光束进行多次反射，利用激光共焦光强响应曲线最大值点与被测镜焦点精确对应这 一特性，对多次折返后不同反射次数的聚焦焦点进行高精度定位，继而实现长焦距高精度 测量。 本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。 多次反射式激光共焦长焦距测量装置，包括点光源、分光镜、准直透镜、环形光瞳、 被测镜、平行平晶、平行平晶后表面、反射镜前表面、反射镜、共焦探测系统、针孔、光强探测 器；其测量光路为：由点光源出射的光经分光镜和准直透镜后形成准直光束并照射在被测 件上；准直光束透过被测镜和平行平晶后会聚成测量光束，该测量光束在平行平晶的右表 面和反射镜的反射面之间折叠反射；沿光轴移动反射镜，当测量光束会聚点位于平行平晶 的右表面或者反射镜的反射面附近时，平行平晶的右表面或者反射镜的反射面将测量光束 反射，反射回来的光束再反向透过平行平晶和被测镜被分光镜反射进入共焦探测系统，探 测系统将轴向光强信息经处理后得到共焦光强响应曲线，其最大值点位置精确对应测量光 束会聚点精确位置。 多次反射式激光共焦长焦距测量方法，具体测量步骤如下： 步骤一、将反射镜置于准直镜后的准直光路中，采用自准直法调整反射镜使其与 准直光束同轴； 步骤二、将平行平晶置于准直镜后的准直光路中，采用自准直法调整平行平晶使 其与准直光束同轴； 步骤三、将被测镜置于准直镜后的准直光路中，调整被测镜使其与准直光束同 轴； 步骤四、沿光轴方向移动反射镜，使测量光束在平行平晶和反射镜之间经过η = i (i = 0, 1，2···)次反射，光束聚焦在平行平晶右表面或反射镜反射面附近时，移动平面反 射镜，由共焦探测系统测得系统共焦光强响应曲线，利用共焦响应曲线最大值点精确确定 测量光束的会聚点，记录此时反射镜位置为Z1; 步骤五、继续光轴方向移动反射镜，使测量光束在平行平晶和反射镜之间经过η =j(j = 0, 1，2…）次反射，光束聚焦在平行平晶右表面或反射镜反射面位置附近时，移动 平面反射镜本文档来自技高网...
【技术保护点】
多次反射式激光共焦长焦距测量装置，其特征在于：包括点光源(1)、分光镜(2)、准直透镜(3)、环形光瞳(4)、被测镜(5)、平行平晶(6)、平行平晶后表面(7)、反射镜前表面(8)、反射镜(9)、共焦探测系统(10)、针孔(11)和光强探测器(12)，其测量光路为：打开点光源(1)，由点光源(1)出射的光经分光镜(2)和准直透镜(3)后形成准直光束并照射在被测件(5)上；准直光束透过被测镜(5)和平行平晶(6)后会聚成测量光束(13)，该测量光束(13)在平行平晶(6)的右表面(7)和反射镜(9)的反射面(8)之间折叠反射；沿光轴移动反射镜(9)，当测量光束(13)会聚点位于平行平晶(6)的右表面(7)或者反射镜(9)的反射面(8)附近时，平行平晶(6)的右表面(7)或者反射镜(9)的反射面(8)将测量光束(13)反射，反射回来的光束再反向透过平行平晶(6)和被测镜(5)被分光镜(3)反射进入共焦探测系统(10)，探测系统(10)将轴向光强信息经处理后得到共焦光强响应曲线，其最大值点位置精确对应测量光束(13)会聚点精确位置。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，李志刚，王允，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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