[发明专利]五棱镜组合超长焦距测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，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。

技术背景

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 ofAmerica》中2002年发表的《Focal length measurements for the NationalIgnition 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。

发明内容

本发明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，压缩光路长度，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。

本发明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

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明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；

(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d₀，由下式计算被测透镜与参考透镜的主平面间距d：