专利名称：差动共焦组合超长焦距测量方法与装置的制作方法
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， 但差动共焦技术主要适用于微观显微测量领域，而将该项技术直接应 用于定焦，继而实现超长焦距测量的报道，迄今为止尚未见到。发明内容本发明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目标位置对应显 微物镜焦点的特性实现精确定焦。本发明的目的是通过下述技术方案实现的。本发明的一种差动共焦组合超长焦距测量方法，包括以下步骤(a) 平行光透过分光系统2，经参考透镜5会聚在焦点位置a7，光 线再由反射镜8反射后，通过分光系统2反射进入差动共焦定焦系统 10，使反射镜8在光轴方向扫描移动，差动共焦定焦系统10通过探测 差动响应信号的绝对零点值来确定参考透镜5相应的焦点位置a7;(b) 将被测透镜3置入分光系统2与参考透镜5之间，并与参考透 镜5共轴，再次利用差动共焦定焦系统10，通过探测差动响应信号的 绝对零点值来确定因置入被测透镜4而引起的新的焦点位置b9;(c) 测量焦点位置a7与焦点位置b9之间的距离A6;(d) 测量被测透镜3与参考透镜5的间距d04;(e) 由下式计算被测透镜3与参考透镜5的主平面间距d:<formula>formula see original document page 5</formula>已知参数包括被测透镜3的厚度6。折射率巧、曲率半径&、 ^ 参考透镜5的焦距/2'、厚度62、折射率"2、曲率半径&、 。2。 (f)由下式计算被测透镜3的焦距值<formula>formula see original document page 6</formula>本发明所述的测量方法，还可以通过焦深压縮光学系统1与差动共焦定焦系统10配合工作，使用光瞳滤波技术压縮参考透镜5以及被 测透镜3与参考透镜5组合后的焦深，提高定焦灵敏度。本发明所述的被测透镜可置于参考透镜5前，也可置于参考透镜5后。本发明还提供了一种差动共焦组合透镜超长焦距测量装置，包括 分光系统2、参考透镜5、反射镜8、差动共焦定焦系统10;其中分光 系统2、参考透镜5和反射镜8依次放在光源12出射光线方向，差动 共焦定焦系统10放置在分光系统2反射方向，反射镜8与分光系统2 将光束反射至差动共焦定焦系统10，并配合差动共焦定焦系统10实 现焦点位置a7与焦点位置b9的定焦。还可以包括焦深压縮光学系统1，用于减小参考透镜5以及被测 透镜3与参考透镜5组合后的焦深。还可以包括调制控制系统ll，用于控制光源12与差动共焦定焦系 统IO进行调制与滤波，抑制环境干扰对测量精度的影响。 本发明对比已有技术具有以下显著优点1. 首次提出利用差动共焦响应曲线过零点时目标位置对应显微物 镜焦点的特性实现精确定焦，提出差动共焦定焦原理，将差动共焦显 微原理扩展到超长焦距测量领域。2. 融合差动共焦定焦原理与组合透镜法，以减小测量光路长度， 降低环境对焦距测量精度的影响。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响，相比以图像、干涉条纹 作为定焦判据的焦距测量方法具有更高的稳定性。4. 采用光瞳滤波技术与差动共焦技术相配合，在超长焦距测量中 减小透镜焦深，增强定焦灵敏度。
图1为本发明测量方法的示意图；图2为本发明测量装置的示意图；图3为本发明实施例的示意图；图4为本发明实施例的差动响应曲线图；其中1-焦深压縮光学系统、2-分光系统、3-被测透镜、4-间距do、 5-参考透镜、6-距离△、 7-焦点位置a、 8-反射镜、9-焦点位置b、 10-差动共焦定焦系统、11-调制控制系统、12-光源、13-偏振分光镜、14-1/4 波片、15-平移台a、 16-量块、17-连杆、18-平移台b、 19-CCD探测器 a、 20-针孔a、 21-透镜a、 22-CCD探测器b、 23-针孔b、 24-透镜b、 25-分光镜具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的基本思想是利用差动共焦定焦原理在大焦深情况下实现 高精度定焦，同时融合组合透镜法减小测量光路长度，进一步降低环 境对测量精度的影响。实施例如图3所示， 一种差动共焦组合超长焦距测量方法，其测量步骤是首先，打开光源12，射出平行光透过由偏振分光镜13和1/4波片 14构成的分光系统，经焦距为3000mm的参考透镜5会聚在焦点位置 a7，光线再由反射镜8反射后，通过1/4波片14和偏振分光镜13反射 进入差动共焦定焦系统的分光镜25;分光镜25将光线分成两路，透 射光线经过透镜b24、针孔b23照明CCD探测器b22，反射光线经过 透镜a21、针孔a20照明CCD探测器al9;使反射镜8沿着平移台a15 在参考透镜5光轴方向扫描移动，差动共焦定焦系统10通过探测CCD 探测器a19与CCD探测器b22的差动响应信号的绝对零点值来确定参 考透镜相应的焦点位置a7。响应信号如图4所示，其中I,(z)、 I"z)为 两CCD探测器的响应信号，FES(z)为差动响应信号。然后，将被测透镜3置入l/4波片14与参考透镜5之间，并与参 考透镜5共轴，再次利用差动共焦定焦系统10，使反射镜8沿着平移 台a15在参考透镜5光轴方向扫描移动，通过探测差动响应信号的绝 对零点值来确定因置入被测透镜4而引起的新的焦点位置b9;而后，平移台a15中的光栅测长机构带动反射镜8在参考透镜5光 轴方向移动，在反射镜8移动的过程中，平移台a15使用光栅测长机 构测量焦点位置a7与焦点位置b9之间的距离A6;而后，将量块16置入光路，使其两侧平面与参考透镜5光轴垂直， 平移台b18通过连杆17带动量块16进行轴向移动，分别触碰参考透 镜5与被测透镜3。触碰透镜表面过程中量块16移动的距离加上量块 16的厚度，计算出被测透镜3与参考透镜5的表面间距d04;而后，由下式计算被测透镜3与参考透镜5的主平面间距d:<formula>formula see original document page 8</formula>式中已知参数包括被测透镜3的厚度^、折射率 、曲率半径 、r12，参考透镜5的焦距/2'、厚度62、折射率"2、曲率半径^21、 。2。最后，由下式计算被测透镜3的焦距值该实施例中还通过焦深压縮光学系统1与差动共焦定焦系统io配 合工作，使用光瞳滤波技术压缩参考透镜5以及被测透镜3与参考透 镜5组合后的焦深，提高定焦灵敏度。如图3所示， 一种差动共焦组合超长焦距测量装置，包括光源12， 依次放在光源12出射平行光线方向的偏振分光镜13、 1/4波片14、参 考透镜5和反射镜8，还包括放置在偏振分光镜13反射方向的差动共 焦定焦系统，其中反射镜8、偏振分光镜13、 1/4波片14将光束反射 至差动共焦定焦系统中的分光镜25;分光镜25将光线分成两路，透 射光线经过透镜b24、针孔b23照明CCD探测器b22，反射光线经过 透镜a21、针孔a20照明CCD探测器al9;反射镜8置于平移台a15 上，并配合差动共焦定焦系统实现焦点位置a7与焦点位置b9的定焦。量块16通过连杆17与平移台b18连接，用于测量被测透镜3与 参考透镜5的表面间距do4;该装置包括焦深压縮光学系统1，用于减小参考透镜5以及被测 透镜3与参考透镜5组合后的焦深。该装置包括调制控制系统ll，用于控制光源12与差动共焦定焦系 统IO进行调制与滤波，抑制环境干扰对测量精度的影响。当间距dQ=500mm、参考透镜8的焦距/2'=3000mm、 口径200mm， 被测焦距/l-30000mm时，其焦距测量误差为士3.4mm，其相对测量误 差<formula>formula see original document page 9</formula>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 了差动共焦组合超长焦距测量方法与装置，与常规测量方法相比，具 有更高的测量精度。以上结合附图对本发明的具体实施方式
作了说明，但这些说明不 能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要 求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范 围。
权利要求
1.差动共焦组合超长焦距测量方法，其特征在于(a)平行光透过分光系统(2)，经参考透镜(5)会聚在焦点位置a(7)，光线再由反射镜(8)反射后，通过分光系统(2)反射进入差动共焦定焦系统(10)，使反射镜(8)在光轴方向扫描移动，差动共焦定焦系统(10)通过探测差动响应信号的绝对零点值来确定参考透镜(5)相应的焦点位置a(7)；(b)将被测透镜(3)置入分光系统(2)与参考透镜(5)之间，并与参考透镜(5)共轴，再次利用差动共焦定焦系统(10)，通过探测差动响应信号的绝对零点值来确定因置入被测透镜(4)而引起的新的焦点位置b(9)；(c)测量焦点位置a(7)与焦点位置b(9)之间的距离Δ(6)；(d)测量被测透镜(3)与参考透镜(5)的间距d0(4)；(e)由下式计算被测透镜(3)与参考透镜(5)的主平面间距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>已知参数包括被测透镜(3)的厚度b1、折射率n1、曲率半径r11、r12，参考透镜(5)的焦距f2′、厚度b2、折射率n2、曲率半径r21、r22；(f)由下式计算被测透镜(3)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>d</mi> <mn>2</mn></msub><mo>′</mo> </msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mi>d</mi> <mrow><msup> <msub><mi>d</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. 根据权利1所述的差动共焦组合超长焦距测量方法，其特征 在于还可以通过焦深压縮光学系统(1)与差动共焦定焦系统(10)配合工作，使用光瞳滤波技术压縮参考透镜(5)以及被测透镜(3)与参考透 镜(5)组合后的焦深，提高定焦灵敏度。
3. 根据权利1所述的差动共焦组合超长焦距测量方法，其特征 在于所述的被测透镜可置于参考透镜(5)前，也可置于参考透镜(5) 后。
4. 差动共焦组合透镜超长焦距测量装置，包括光源(12)，其特征 在于还包括分光系统(2)、参考透镜(5)、反射镜(8)、差动共焦定焦系统(10);其中分光系统(2)、参考透镜(5)和反射镜(8)依次放在光源 (12)出射光线方向，差动共焦定焦系统(10)放置在分光系统(2)反射方 向，反射镜(8)与分光系统(2)将光束反射至差动共焦定焦系统(10)，并 配合差动共焦定焦系统(10)实现焦点位置a(7)与焦点位置b(9)的定焦。
5. 根据权利4所述的差动共焦组合超长焦距测量装置，其特征 在于还可以包括焦深压縮光学系统(l)，用于减小参考透镜(5)以及 被测透镜(3)与参考透镜(5)组合后的焦深。
6. 根据权利4所述的差动共焦组合超长焦距测量装置，其特征 在于还可以包括调制控制系统(ll)，用于控制光源(12)与差动共焦 定焦系统(10)进行调制与滤波，抑制环境干扰对测量精度的影响。
全文摘要
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种差动共焦组合透镜超长焦距测量方法与装置，该方法首先通过差动共焦定焦原理分别确定参考透镜焦点和被测透镜与参考透镜组合的焦点位置，然后测量两焦点间的距离Δ和两透镜的间距d<sub>0</sub>，代入公式计算被测透镜的焦距值，同时测量过程中还可以通过光瞳滤波技术提高焦距测量灵敏度。本发明首次提出利用差动共焦响应曲线过零点时对应显微物镜焦点的特性实现精确定焦，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。本发明融合了差动共焦定焦原理与组合透镜法，具有测量精度高、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。
文档编号G01M11/02GK101403650SQ20081022696
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者孙若端, 沙定国, 赵维谦, 邱丽荣 申请人:北京理工大学