多焦全息差动共焦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，涉及一种多焦全息差动共焦超长焦距测量方法与装置。该方法先利用差动共焦系统对多焦全息透镜的长焦距值进行校准，减小测量的系统误差；然后利用差动共焦响应曲线过零点时被测超长焦距透镜焦点与多焦全息透镜一阶焦点相重合的特性，实现对超长焦距透镜焦距的测量。装置包括点光源、第一分光镜、准直透镜、多焦全息透镜和差动共焦系统；其中第一分光镜、准直透镜和多焦全息透镜依次放在光线的出射方向，差动共焦系统放置在第一分光镜的反射方向，多焦全息透镜和第一分光镜将光束反射至差动共焦系统，并配合差动共焦系统实现对由被测超长焦距透镜出射的差动共焦光锥顶点的精确定位。具有被测件移动距离小、测量精度高、测量速度快、抗环境干扰能力强等优点，可用于超长焦距的高精度测量。

【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 过程中的高精度超长焦距测量。
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，主要因素在于数值孔径小、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。由于以上原因，放大率法 或五棱镜法等传统的定焦方法难以实现超长焦距的高精度测量。针对超长焦距测量，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_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。以上几种测量方法的共性还在于其评价尺度都是基于垂轴方向的图像信息。由 于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，如果能够选取一 种轴向信息作为评价尺度，则可以进一步提高焦距测量的灵敏度。近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展，该技术以轴向的光强响 应曲线作为评价尺度，灵敏度高于垂轴方向的评价方法，并且由于采用光强作为数据信息， 相比图像处理方法具有更高的抗环境干扰能力。例如中国专利“具有高空间分辨率的差动 共焦扫描检测方法”(专利申请号=200410006359. 6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法， 使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗扰动能力。目前，已有将差动共焦技术直接应用于定焦，继而实现超长焦距测量的报道。例如 中国专利“差动共焦组合超长焦距测量方法与装置”(专利申请号200810226966)，其首次 提出了利用差动共焦响应曲线过零点时对应物镜焦点的特性进行两次定焦，将差动共焦显 微原理扩展到超长焦距测量领域，形成差动共焦定焦原理，具有测量精度高、抗环境干扰能 力强的优点。本专利技术“多焦全息差动共焦超长焦距测量方法与装置”与专利“差动共焦组合超长 焦距测量方法与装置”相比较，使用多焦全息透镜结合差动共焦技术，进一步减小了测量光路长度，并增强了抗环境干扰的能力；且一次定焦即可完成超长焦距的测量，减少了定焦次 数，提高了测量精度，具有测量精度更高、抗环境干扰能力更强的优点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决小数值孔径、超长焦距透镜的高精度测量的问题，提出 一种利用差动共焦响应曲线过零点时被测超长焦距透镜焦点与多焦全息透镜一阶焦点相 重合的特性，实现了对超长焦距透镜焦距的测量。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的一种多焦全息差动共焦超长焦距测量方法，包括以下步骤(a)调整被测超长焦距透镜和多焦全息透镜，使其与准直透镜共光轴；(b)然后，打开点光源，其发出的光经第一分光镜、准直透镜和被测超长焦距透镜 后，照射在多焦全息透镜表面，经多焦全息透镜表面反射，再次通过被测超长焦距透镜和准 直透镜，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；(c)移动多焦全息透镜，使其沿光轴方向进行扫描，通过探测差动共焦响应曲线的 绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜一阶焦点相重合，此时被测超长焦距透 镜到多焦全息透镜的距离为d ；(d)根据多焦全息透镜一阶焦距f'工，计算被测超长焦距透镜的焦距f'=f'+d。本专利技术所述的测量方法，还可以对多焦全息透镜的一阶焦距进行校准首先将被 测超长焦距透镜替换为标准透镜；移动多焦全息透镜，使其沿光轴方向进行扫描，通过探测 差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜n阶焦点相重合； 继续沿光轴方向移动多焦全息透镜，再次通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差 动共焦光锥顶点与多焦全息透镜前表面相重合，此时多焦全息透镜移过的距离即为多焦全 息透镜n阶焦距f' n，测得多焦全息透镜一阶焦距f' ^nf' n。本专利技术还提供了一种多焦全息差动共焦超长焦距测量装置，包括点光源，还包括 第一分光镜、准直透镜、多焦全息透镜和差动共焦系统；其中第一分光镜、准直透镜和多焦 全息透镜依次放在光线的出射方向，差动共焦系统放置在第一分光镜的反射方向，多焦全 息透镜和第一分光镜将光束反射至差动共焦系统，并配合差动共焦系统实现对由被测超长 焦距透镜出射的差动共焦光锥顶点的精确定位。其装置还可以包括主控计算机、机电控制装置和纵向平移台；主控计算机通过机 电控制装置控制纵向平移台推动多焦全息透镜沿光轴方向进行扫描。其装置还可以包括横向平移台；被测超长焦距透镜固定横向平移台上；移动横向 平移台推动被测超长焦距透镜沿垂直光轴方向进行扫描，测得被测超长焦距透镜不同区域 焦距。其装置中所述差动共焦系统可以包括第二分光镜、第一光强传感器和第二光强传 感器；由第一分光镜反射回来的光进入差动共焦系统，由第二分光镜将光线分成两路，一路 照射在位于焦前的第一光强传感器上，另一路照射在位于焦后的第二光强传感器上。其装置中所述差动共焦系统还可以包括第二分光镜、焦前针孔、焦后针孔、第一光 强传感器和第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光进入差动共焦系统，由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦前针孔后，照射在第一光强传感器上，另一路通过焦后针孔 后，照射在第二光强传感器上。其装置中所述差动共焦系统还可以包括第二分光镜、焦前显微物镜、焦后显微物 镜、第一光强传感器和第二光强传感器；其中焦前显微物镜的物平面位于焦前，在其像平面 放置第一光强传感器，焦后显微物镜的物平面位于焦后，在其像平面放置第二光强传感器； 由第一分光镜反射回来的光进入差动共焦系统，由第二分光镜将光线分成两路，一路通过 焦前显微物镜成像在第一光强传感器上，另一路通过焦后显微物镜成像在第二光强传感器 上。其装置还可以包括主控计算机和AD采集模块；主控计算机通过AD采集模块获取 差动共焦系统中的光强传感器采集的差动共焦信号。其装置中所述差动共焦系统还可以替换为共焦系统。有益效果本专利技术对比已有技术具有以下创新点1.使用多焦全息透镜结合差动共焦技术，显著减小了测量光路长度，降低了环境 对焦距测量精度的影响。2.多焦全息透镜的参数可以自校准，减小了测量的系统误差。3.差动共焦定焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，本专利提出在超长焦距测量 过程中，配合差动共焦定焦原理进行光强调制与滤波，排除空气扰动等环境干扰对测量精 度的影本文档来自技高网...

【技术保护点】
多焦全息差动共焦超长焦距测量方法，其特征在于：（ａ）调整被测超长焦距透镜和多焦全息透镜，使其与准直透镜共光轴；（ｂ）打开点光源，其发出的光经第一分光镜、准直透镜和被测超长焦距透镜后，照射在多焦全息透镜表面，经多焦全息透镜表面反射，再次通过被测超长焦距透镜和准直透镜，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；（ｃ）移动多焦全息透镜，使其沿光轴方向进行扫描，通过探测差动共焦响应曲线的绝对零点来确定差动共焦光锥顶点与多焦全息透镜一阶焦点相重合，此时被测超长焦距透镜到多焦全息透镜的距离为ｄ；（ｄ）根据多焦全息透镜一阶焦距ｆ′↓［１］，计算被测超长焦距透镜的焦距：ｆ′＝ｆ′↓［１］＋ｄ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，杨佳苗，孙若端，邱丽荣，
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]