專利名稱：五棱鏡組合超長焦距測量方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學精密測量技術領域，可用于超長焦距透鏡的檢測 與光學系統裝配過程中的高精度焦距測量。
背景技術：
近年來，超長焦距透鏡廣泛應用于高能激光器、天文望遠鏡等大 型光學系統領域，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，其焦距測量一直是光學測量領域 的一個難點，主要因素在于焦深長，難以實現精確定焦；焦距長， 難以精密測長；光路長，測量容易受到環境干擾。
由于上述因素的影響，傳統的定焦方法難以實現超長焦距的高精 度測量。例如五棱鏡法，采用平移五棱鏡過程中光線會聚點的位置變 化量作為判據，判斷透鏡出射光的平行性，從而實現定焦。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，在長達十 幾米至幾十米的測量光路中，輕微的環境擾動就能造成會聚點位置的 波動，因此無法利用亞像元超分辨技術等高精度信號處理方法，難以 進一步提高測量精度。
針對超長焦距測量技術，國內學者提出了新的測量方法，發表的 文獻主要包括《中國測試技術》的《泰伯一莫爾法測量長焦距系統的 焦距》；《光子學報》的《Ronchi光柵Talbot效應長焦距測量的準確度 極限研究》。此類技術主要采用了泰伯-莫爾法，利用Ronchi光柵、Talbot 效應實現定焦，通過數字信號處理技術測量焦距。該類測量方法的靈 敏度相比傳統方法有所提高，但光路長、測量過程復雜、需測量的參 數多。
相比較國外的長焦距測量技術，在《The Optical Society of America》中2002年發表的《Focal length measurements for the National Ignition Facility large lenses》中，采用了菲索干涉組合透鏡超長焦距測 量技術進行長焦距測量，并達到很高的測量精度。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、振動等環境狀態因素 的干擾，對測量環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的大口
徑菲索干涉儀或Ronchi光柵作為核心器件，這導致測量系統的成本高、 結構復雜。相比之下，若采用五棱鏡定焦法實現大口徑焦距測量系統， 其成本低、結構簡單，而進一步與組合透鏡超長焦距測量技術相結合， 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，將該兩項技術相融合應用于定焦，繼而實現 高精度超長焦距測量，尚未見報道。
發明內容
本發明的第一個目的是為了實現大口徑、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，把光軸方向的定焦過程轉 化為垂直光軸方向成像位置變化量的測量過程，進一步與組合透鏡超 長焦距測量技術相結合，壓縮光路長度，增強測量分辨力，而提供一 種五棱鏡組合超長焦距測量方法。
本發明的第二個目的是為實現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
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
本發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，調整測量光路，使對準目標的出射光經過參考透 鏡會聚、五棱鏡折轉后，通過準直鏡在CCD探測器上成像。
(b) 測量過程中，首先使對準目標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探測器上對準目標的成像位置未發生變化，則對準目 標的位置與參考透鏡第二焦點位置重合；
(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，再次使對準目標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探測器上對準目標的成
像位置未發生變化，則對準目標的位置與被測透鏡、參考透鏡組合后 的第一焦點位置相重合；
5(C)而后，測量第一焦點位置與第二焦點位置之間的距離A，測量 被測透鏡與參考透鏡的間距d。，由下式計算被測透鏡與參考透鏡的 主平面間距d:
"1 12 -。 1) + ("1 - "2 0 22 -r21) + ("2 - D62
已知參數包括被測透鏡的厚度^、折射率m、曲率半徑 、r12，
參考透鏡的焦距力'、厚度62、折射率W2、曲率半徑 、r22; (d)最后，由下式計算被測透鏡的焦距值
/2'—△ /2'
本發明的五棱鏡組合超長焦距測量方法，還可以在測量過程中通 過濾光鏡濾除環境雜散光，提高測量的抗干擾能力。
本發明的五棱鏡組合超長焦距測量方法，還可以在測量過程中使
用亞像元超分辨技術處理CCD探測器的信號，提高本測量方法的靈敏度。
本發明的五棱鏡組合超長焦距測量方法中，所述的被測透鏡可置 于參考透鏡前，也可置于參考透鏡后。
本發明的五棱鏡組合超長焦距測量裝置，包括光源、五棱鏡、參
考透鏡、對準目標、CCD探測器、準直鏡；其中對準目標、參考透鏡、
五棱鏡依次放在光源的光線出射方向，光線經五棱鏡折轉后透過準直
鏡在CCD探測器上成像；對準目標在參考透鏡的光軸方向掃描移動， 并配合五棱鏡、CCD探測器實現第一焦點位置與第二焦點位置的定焦。
本發明的五棱鏡組合超長焦距測量裝置，還可以包括濾光鏡，放 置于五棱鏡與準直鏡之間，用于濾除環境雜散光，提高測量裝置的抗 干擾能力。
本發明的五棱鏡組合超長焦距測量裝置中的CCD探測器可以是 陣列式圖像傳感器，也可以是PSD位置傳感器。
有益效果
本發明對比已有技術具有以下顯著優點1. 首次將五棱鏡定焦法與組合透鏡超長焦距測量技術相融合，實 現大口徑透鏡的低成本、高精度超長焦距測量。
2. 與大口徑干涉儀測量方法相比，采用成像位置變化量作為定焦 判據，成像質量略差時，不影響成像位置變化量的測量，因此該測量 方法對透鏡像差的影響不敏感，由測量光路引入的像差對測量造成的 誤差小。
3. 與大口徑干涉儀或Ronchi光柵測量方法相比，本發明的光學 部件少，引入的測量系統誤差少，光路結構簡單，成本低廉。
4. 采用組合透鏡超長焦距測量技術，壓縮了測量光路長度，減小 了焦深，提高了定焦測量分辨力，減小了環境擾動對測量精度的影響。
5. 采用亞像元超分辨技術相配合，在超長焦距測量中對CCD像 元進行超分辨細分，利用軟件方法進一步提高了 CCD探測器分辨力， 增強定焦靈敏度。
圖1為空氣擾動影響傳統五棱鏡法測量精度的原理示意圖2為本發明測量方法與裝置的示意圖3為本發明實施例的示意圖4為實施例測量步驟(a)的定焦原理示意圖5為實施例測量過程中CCD攝像機圖像的示意圖6為實施例測量步驟(b)的定焦原理示意其中l-濾光鏡、2-五棱鏡、3-被測透鏡、4-間距do、 5-參考透鏡、 6_第一焦點位置、7-距離A、 8-第二焦點位置、9-對準目標、10-光源、 ll-CCD探測器、12-準直鏡、13-平移臺、14-量塊、15-連桿、16-平移 臺、17-平移臺、18-第一次測量離焦量、19-狹縫像、20-第二次測量離
具體實施例方式
下面以口徑300mm焦距30000mm的被測超長焦距透鏡作為被測 透鏡，結合附圖對本發明作進一步說明。
7此實施例通過一系列的措施實現了超長焦距的高精度測量，實現 了五棱鏡組合超長焦距測量方法與裝置。與傳統測量方法相比，本實
施例的相對測量誤差可達0.02%左右，具有更高的超長焦距測量精度; 相比干涉組合透鏡超長焦距測量方法本實施例不需要購買百萬元的 300mm大口徑干涉儀構建測試裝置，只需加工一片300mm焦距的參 考透鏡，并借助平移臺及五棱鏡等日常光學實驗裝置即可完成高精度 測量裝置的構建。
本發明的基本思想是利用差動共焦定焦原理在大焦深情況下實現 高精度定焦，同時融合組合透鏡法減小測量光路長度，進一步降低環 境對測量精度的影響。
實施例
如圖2所示， 一種五棱鏡組合超長焦距測量方法，其測量步驟是:
(a) 使用近紅外1064pm激光器照射一條狹縫作為對準目標9，出 射光經過參考透鏡5會聚、五棱鏡2折轉后，通過準直鏡12在CCD 探測器11上成像，此時平移臺13帶動對準目標9在參考透鏡5的光 軸方向掃描移動，每移動到新的掃描位置時，則通過平移五棱鏡2判 斷是否與第二焦點位置8重合。
判斷方法如下如圖4所示，當狹縫對準目標9的掃描位置與第 二焦點位置8之間存在離焦量18時，通過平移臺17帶動五棱鏡2向 CCD探測器11方向平移，則狹縫在CCD探測器11表面的圖像會發 生水平左移(如圖5所示)，則可判斷出參考透鏡5的出射光為會聚光， 還可判斷出狹縫對準目標9與第二焦點位置8之間不互相重合。通過 不斷調節對準目標9的位置，可不斷逼近第二焦點位置8，當CCD探 測器11上對準目標9的成像位置不發生變化時，則對準目標9與第二 焦點位置8重合。
(b) 將被測透鏡3置入五棱鏡2與參考透鏡5之間，并與參考透鏡 5共軸，再次通過平移臺13帶動對準目標9在參考透鏡5的光軸方向 掃描移動，移動到新的掃描位置時，則通過平移五棱鏡2判斷是否與 第二焦點位置8重合。
判斷方法如下如圖6所示，當狹縫對準目標9的掃描位置與第 一焦點位置6之間存在第二離焦量20時，通過平移臺17帶動五棱鏡2向CCD探測器11方向平移，則狹縫在CCD探測器11表面的圖像 位置會發生水平左移(如圖5所示)，則可判斷出被測透鏡3的出射光 為會聚光，還可判斷出狹縫對準目標9與第一焦點位置6之間不互相 重合。通過不斷調節對準目標9的位置，可不斷逼近第一焦點位置6， 當CCD探測器11上對準目標9的成像位置不發生變化時，則對準目 標9與第一焦點位置6重合。
(c) 平移臺13帶動對準目標9在光軸方向移動，利用平移臺13內 部的光柵測長裝置可測量出第一焦點位置6與第二焦點位置8之間移 動的距離A7;
(d) 平移臺16通過連桿15與量塊14連接，并帶動量塊14在光軸 向方向移動，分別觸碰被測透鏡3的后表面與參考透鏡5的前表面， 兩次觸碰過程中導軌的在光軸方向的移動距離加上量塊14的厚度，可 得出被測透鏡3與參考透鏡5的間距do4;
(e) 將以上步驟的測量結果代入下式，可計算被測透鏡3與參考透 鏡5的主平面間距d:
+_^___^_
° "iO""i)+(A-1》1 "20"22_r21)+("2_i)62
其中已知參數還包括被測透鏡3的設計參數厚度&、折射率"j、 曲率半徑 、r12，參考透鏡5的設計參數焦距/2'、厚度&、折射率 "2、曲率半徑 、r22;
(f) 最后由下式計算被測透鏡3的焦距值
/2'-△ /2'
上述五棱鏡組合超長焦距測量方法，在測量過程中還使用了亞像
元超分辨技術，將CCD探測器ll的圖像信號進行亞像元細分，提高 本測量方法的靈敏度。
如圖2所示， 一種五棱鏡組合超長焦距測量裝置，其中光源10采 用近紅外1064pm激光光源，參考透鏡5的焦距3000mm、 口徑200mm， 對準目標9采用狹縫目標、CCD探測器11為像元尺寸4x4pm的數字 面陣CCD探測器、準直鏡12焦距500mm。上述測量裝置中狹縫對準目標9、參考透鏡5、五棱鏡2依次放在 激光光源IO的激光出射方向，光線經五棱鏡2折轉后透過準直鏡12 在CCD探測器11上成像；平移臺13帶動對準目標9在參考透鏡5的 光軸方向掃描移動，并配合五棱鏡2、 CCD探測器11實現第一焦點位 置6與第二焦點位置8的定焦。
上述測量裝置中平移臺16通過連桿15與量塊14連接，并帶動量 塊14在光軸向方向移動，用于測量被測透鏡3與參考透鏡5的間距 d04。
上述測量裝置中還包括可見光截止濾光鏡1，該濾光鏡放置于五 棱鏡2與準直鏡12之間，用于濾除可見光及環境雜散光、透過近紅外 激光，提高測量裝置的抗干擾能力。
當間距do=500mm、參考透鏡8的焦距/2^3000mm、 口徑200mm， 被測焦距/產30000mm、準直鏡焦距500mm、 CCD像元尺寸為4x m 時，焦距測量系統的誤差為士6.1mm，其相對測量誤差
5/ = M = ± " xlOO% ±0.02% , 30000
此實施例通過一系列的措施實現了超長焦距的高精度測量，實現 了五棱鏡組合超長焦距測量方法與裝置，與傳統焦距測量方法相比， 具有更高的測量精度。
以上結合附圖對本發明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不 能被理解為限制了本發明的范圍，本發明的保護范圍由隨附的權利要 求書限定，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范 圍。
權利要求
1.五棱鏡組合超長焦距測量方法，其特征在于測量步驟包括(a)測量開始前，調整測量光路，使對準目標的出射光經過參考透鏡會聚、五棱鏡折轉后，通過準直鏡在CCD探測器上成像；(b)測量過程中，首先使對準目標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探測器上對準目標的成像位置未發生變化，則對準目標的位置與參考透鏡第二焦點位置重合；(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，再次使對準目標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探測器上對準目標的成像位置未發生變化，則對準目標的位置與被測透鏡、參考透鏡組合后的第一焦點位置相重合；(c)而后，測量第一焦點位置與第二焦點位置之間的距離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<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><msub> <mi>d</mi> <mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mn>12</mn></msub><msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>n</mi> <mn>1</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>r</mi><mn>12</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>r</mi><mn>11</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>r</mi> <mn>21</mn></msub><msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>r</mi><mn>22</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>r</mi><mn>21</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>n</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow></mfrac> </mrow>]]></math></maths>已知參數包括被測透鏡的厚度b1、折射率n1、曲率半徑r11、r12，參考透鏡的焦距f2′、厚度b2、折射率n2、曲率半徑r21、r22；(d)最后，由下式計算被測透鏡的焦距值<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msup> <msub><mi>f</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <mi>d</mi> <msup><msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn></msub><mo>′</mo> </msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mi>d</mi> <mrow><msup> <msub><mi>f</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>-</mo><mi>Δ</mi> </mrow></mfrac> </mrow> <mrow><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msup> <msub><mi>f</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>′</mo></msup><mo>-</mo><mi>Δ</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msup><msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn></msub><mo>′</mo> </msup></mfrac> </mrow></mfrac><mo>.</mo> </mrow>]]></math></maths>
2. 根據權利1所述的五棱鏡組合超長焦距測量方法，其特征在 于還可以在測量過程中，通過濾光鏡濾除環境雜散光，提高測量的 抗干擾能力。
3. 根據權利1所述的五棱鏡組合超長焦距測量方法，其特征在 于還可以在測量過程中使用亞像元超分辨技術處理CCD探測器的 信號，提高本測量方法的靈敏度。
4. 根據權利1所述的五棱鏡組合超長焦距測量方法，其特征在于所述的被測透鏡可置于參考透鏡前，也可置于參考透鏡后。
5. 五棱鏡組合超長焦距測量裝置，包括光源，其特征在于還 包括五棱鏡、參考透鏡、對準目標、CCD探測器、準直鏡；其中對 準目標、參考透鏡、五棱鏡依次放在光源的光線出射方向，光線經五 棱鏡折轉后透過準直鏡在CCD探測器上成像；對準目標、在參考透 鏡、的光軸方向掃描移動，并配合五棱鏡、CCD探測器、實現第一 焦點位置與第二焦點位置的定焦。
6. 根據權利5所述的五棱鏡組合超長焦距測量裝置，其特征在于還可以包括濾光鏡，放置于五棱鏡與準直鏡之間，用于濾除環境 雜散光，提高測量裝置的抗干擾能力。
7. 根據權利5所述的五棱鏡組合超長焦距測量裝置，其特征在于CCD探測器可以是陣列式圖像傳感器，也可以是PSD位置傳感 明.益o
全文摘要
本發明屬于光學精密測量技術領域，涉及一種五棱鏡組合超長焦距測量方法與裝置。本發明將五棱鏡定焦法與組合透鏡超長焦距測量技術相融合，實現大口徑透鏡的低成本、高精度超長焦距測量。本發明通過五棱鏡將光路折轉，把光軸方向的定焦過程轉化為垂直光軸方向成像位置變化量的測量過程，進一步與組合透鏡超長焦距測量技術相結合，壓縮光路長度，增強測量分辨力。本發明的測量裝置，包括光源、五棱鏡、參考透鏡、對準目標、CCD探測器、準直鏡，具有光路結構簡單、光學部件引入的像差小，系統誤差小、測量靈敏度高、抗環境干擾能力強的優點，可用于超長焦距透鏡的檢測與光學系統裝配過程中的高精度焦距測量。
文檔編號G01M11/02GK101493376SQ20091007932
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月6日 優先權日2009年3月6日
發明者川 何, 孫若端, 沙定國, 趙維謙 申請人:北京理工大學