凸透鏡焦距的測量裝置和測量方法
【專利摘要】一種凸透鏡焦距的測量裝置和測量方法，該裝置由1053nm光纖點(diǎn)光源、激光測距儀、精密移動(dòng)導(dǎo)軌、待測凸透鏡、剪切干涉板、毛玻璃屏和CCD組成。利用CCD觀察經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后輸出光束在剪切干涉板形成的條紋圖樣，調(diào)節(jié)光纖點(diǎn)光源在精密移動(dòng)導(dǎo)軌的移動(dòng)方向及位置，最終使得1053nm點(diǎn)光源處于焦面位置，然后利用激光測距儀測量得到透鏡焦距。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，測量精度高的特點(diǎn)，并可利用測量過程中產(chǎn)生的橫向剪切干涉條紋對凸透鏡光學(xué)質(zhì)量進(jìn)行評估，為凸透鏡裝校和光學(xué)加工提供有價(jià)值的檢測數(shù)據(jù)。
【專利說明】凸透鏡焦距的測量裝置和測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及凸透鏡，特別是一種凸透鏡焦距的測量裝置和測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 通常，高功率激光系統(tǒng)中具備大量不同口徑空間濾波器和光束縮束系統(tǒng)，前者用 于抑制非線性效應(yīng)，提高系統(tǒng)安全運(yùn)行通量，對高頻信息進(jìn)行濾波截止，保護(hù)激光工作介 質(zhì)；后者多用于光束成像傳輸和激光參數(shù)測量?？臻g濾波器和縮束光學(xué)系統(tǒng)核心光學(xué)元件 為具備不同口徑和焦距的光學(xué)凸透鏡。焦距及其光學(xué)質(zhì)量是光學(xué)凸透鏡最基本的技術(shù)參 數(shù)。
[0003] 為了測量光學(xué)凸透鏡的焦距，人們提出了多種測量技術(shù)，例如透鏡自準(zhǔn)法、物像成 像法及共軛法等方法，但它們的測量精度僅為1-5%。，難于滿足高功率激光系統(tǒng)紅外波段 (1053nm)焦距測量和使用要求?；邶埢鈻潘柌┧?yīng)的長焦距測量誤差為0. 15%， 但該方法機(jī)構(gòu)復(fù)雜，光學(xué)元件多，測量結(jié)果受標(biāo)定誤差的影響大，不能普遍適合高功率激光 系統(tǒng)不同F(xiàn)數(shù)凸透鏡焦距的測量需求。因此，需要研制高精度凸透鏡焦距及其光學(xué)質(zhì)量檢 測裝置用于高功率激光系統(tǒng)凸透鏡加工和裝校，以簡化凸透鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)和裝校方式，最終 提高激光系統(tǒng)輸出光束質(zhì)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服上述凸透鏡焦距檢測技術(shù)的不足，提出一種凸透鏡焦距的測 量裝置和測量方法，該裝置和方法具備結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，測量精度高等特點(diǎn)，并可利用 測量過程中產(chǎn)生的橫向剪切干涉條紋對凸透鏡光學(xué)質(zhì)量進(jìn)行評估，為凸透鏡裝校和光學(xué)加 工提供有價(jià)值的檢測數(shù)據(jù)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案：
[0006] -種凸透鏡焦距的測量裝置，其特點(diǎn)在于：該裝置由光纖點(diǎn)光源、激光測距儀、精 密移動(dòng)導(dǎo)軌、待測凸透鏡鏡架、剪切干涉板、毛玻璃屏和C⑶組成，所述的點(diǎn)光源是纖芯直 徑為5. 8 μ m光纖點(diǎn)光源，所述的光纖點(diǎn)光源和激光測距儀安裝在同一調(diào)整架上，調(diào)整架具 有整體升降、俯仰和左右移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，光纖點(diǎn)光源和激光測距儀的測量零點(diǎn)保證在與待 測凸透鏡的光軸垂直的同一平面內(nèi)，所述調(diào)整架固定于前后平移精密移動(dòng)導(dǎo)軌上，平移方 向與待測透鏡主軸平行，沿所述的光纖點(diǎn)光源輸出的光束方向依次是所述的待測凸透鏡鏡 架、剪切干涉板、毛玻璃屏和CCD，所述的剪切干涉板為45°放置反射式的楔形玻璃板，前 表面鍍半透半反膜，后表面鍍?nèi)茨ぁ?br> [0007] 所述的激光測距儀相對于光纖點(diǎn)光源在水平面左右方向間隔約為10?15_。
[0008] 利用上述的凸透鏡焦距的測量裝置測量凸透鏡焦距的方法，該方法包括下列步 驟：
[0009] ①將待測凸透鏡堅(jiān)直地安裝在所述的待測凸透鏡鏡架上，調(diào)節(jié)光纖點(diǎn)光源與透鏡 自準(zhǔn)直；
[0010] ②將經(jīng)透鏡準(zhǔn)直的光束入射剪切干涉板，微調(diào)所述的剪切干涉板與入射光束的角 度，通過CCD觀察所述的毛玻璃屏上剪切干涉條紋圖樣；
[0011] ③當(dāng)剪切干涉條紋在毛玻璃屏上呈現(xiàn)發(fā)散特征時(shí)，光纖點(diǎn)光源沿透鏡光軸向遠(yuǎn) 離待測凸透鏡的方向移動(dòng)；當(dāng)剪切干涉條紋在毛玻璃屏呈現(xiàn)匯聚特征時(shí)，光纖點(diǎn)光源沿透 鏡光軸向靠近待測凸透鏡的方向移動(dòng)；直到剪切干涉條紋呈現(xiàn)平行波光束特征時(shí)，不再移 動(dòng)；
[0012] ④所述的光纖點(diǎn)光源與激光測距儀的測量零點(diǎn)始終保證在與待測透鏡光軸垂直 的同一平面內(nèi)，利用激光測距儀多次采集光纖點(diǎn)光源與待測透鏡間的距離，取平均值得到 待測凸透鏡焦距。
[0013] 當(dāng)紅外感可視儀CCD觀測到的剪切干涉條紋圖樣不具備平行直線條紋時(shí)，如呈現(xiàn) 水平S性彎曲特征曲線時(shí)，表明準(zhǔn)直光束存在小量初級球差；如條紋干涉場中心呈現(xiàn)橢圓 條紋時(shí)，表明準(zhǔn)直光束存在初級慧差；如兩維方向干涉條紋都為直線條紋，但條紋數(shù)量不一 致時(shí)，表明準(zhǔn)直光束存在初級像散。
[0014] 經(jīng)凸透鏡產(chǎn)生的近似平面波入射剪切干涉板時(shí)，剪切干涉板將復(fù)制被測波前并產(chǎn) 生小量平移，得到原始波前和平移后剪切波前之間的干涉圖樣。干涉圖樣特征可高精度表 征平面波質(zhì)量和直觀評估透鏡光學(xué)質(zhì)量及其像差特征。
[0015] 本發(fā)明能夠廣泛應(yīng)用到干涉計(jì)量和透鏡加工質(zhì)量評估領(lǐng)域，具有設(shè)備簡單、高精 度測量、干涉圖樣直觀等特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為利用剪切干涉測量凸透鏡焦距的裝置示意圖；
[0017] 圖中：1 一 1053nm光纖點(diǎn)光源，2 -激光測距儀，3 -精密移動(dòng)導(dǎo)軌，4 一待測凸透 鏡，5 -剪切干涉板，6 -毛玻璃屏，7 - (XD。
[0018] 圖2為CCD中觀測到的剪切干涉條紋示意圖；
[0019] 圖中左圖條紋沿斜上方向傾斜，光束具有發(fā)散特征；中間圖形條紋與基準(zhǔn)線平行， 光束是平行光束；右圖條紋沿斜下方向傾斜，光束具有會(huì)聚特征。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：
[0021] 先請參閱圖1，由圖可見，本發(fā)明凸透鏡焦距的測量裝置，由光纖點(diǎn)光源1、激光測 距儀2、精密移動(dòng)導(dǎo)軌3、待測凸透鏡鏡架4、剪切干涉板5、毛玻璃屏6和(XD7組成，所述的 點(diǎn)光源1是纖芯直徑為5. 8 μ m光纖點(diǎn)光源，所述的光纖點(diǎn)光源1和激光測距儀2安裝在同 一調(diào)整架上，調(diào)整架具有整體升降、俯仰和左右移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，光纖點(diǎn)光源1和激光測距儀 2的測量零點(diǎn)保證在與待測凸透鏡的光軸垂直的同一平面內(nèi)，所述調(diào)整架固定于前后平移 精密移動(dòng)導(dǎo)軌3上，平移方向與待測透鏡主軸平行，沿所述的光纖點(diǎn)光源1輸出的光束方向 依次是所述的待測凸透鏡鏡架4、剪切干涉板5、毛玻璃屏6和(XD7,所述的剪切干涉板5為 45°放置反射式的楔形玻璃板，前表面鍍半透半反膜，后表面鍍?nèi)茨ぁ?br> [0022] 所述的激光測距儀相對于光纖點(diǎn)光源在水平面左右方向間隔約為10?15mm。
[0023] 本發(fā)明中利用1053nm激光光纖點(diǎn)光源放置于待測凸透鏡焦點(diǎn)附近后，待測凸透 鏡出射近似平面波。使用具有合適剪切量的剪切干涉板對近似平面波進(jìn)行干涉計(jì)量獲得干 涉條紋。干涉條紋圖樣實(shí)時(shí)顯現(xiàn)平面波波面質(zhì)量和凸透鏡光學(xué)質(zhì)量，并可準(zhǔn)確確定待測凸 透鏡焦點(diǎn)、待測凸透鏡焦距及顯現(xiàn)其固有像差特征。
[0024] 橫向剪切干涉儀具備復(fù)制和平移原始波前的基本特征。附圖2為毛玻璃屏觀測 到的原始波前和橫向剪切波前的干涉示意圖形。當(dāng)入射波前為近似平面時(shí)，波前表示為 W(x，y)，（x，y)為任意點(diǎn)P(x，y)的坐標(biāo)位置。當(dāng)波前在X方向有量值為S的剪切時(shí)，剪 切波前的任意一點(diǎn)上的波前誤差為W(x_S，y)。在P(x，y)點(diǎn)上，原始波前和剪切波前之間 的波前差異AW(x，y) =W(x，y)-W(x-S，y)。這樣，在剪切干涉計(jì)量中，需要求得的量即為 AW(x，y)。可以將波前誤差A(yù)W(x，y)按照常規(guī)關(guān)系式表示為：
[0025] AW(x，y) =ηλ (1)
[0026] 其中，η為干涉條紋的級次，λ為所用的波長。在(S/&)形式下，上式的左邊可以 是其若干倍。當(dāng)剪切量S極小并在理論上接近零時(shí)，波前差異的變化相對平移量的變化成 微分形式，可寫成為：
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種凸透鏡焦距的測量裝置，其特征在于：該裝置由光纖點(diǎn)光源（1)、激光測距儀 (2)、精密移動(dòng)導(dǎo)軌（3)、待測凸透鏡鏡架（4)、剪切干涉板（5)、毛玻璃屏（6)和CCD(7)組 成，所述的點(diǎn)光源（1)是纖芯直徑為5.8μπι光纖點(diǎn)光源，所述的光纖點(diǎn)光源（1)和激光測 距儀（2)安裝在同一調(diào)整架上，調(diào)整架具有整體升降、俯仰和左右移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，光纖點(diǎn)光 源（1)和激光測距儀（2)的測量零點(diǎn)保證在與待測凸透鏡的光軸垂直的同一平面內(nèi)，所述 調(diào)整架固定于前后平移精密移動(dòng)導(dǎo)軌（3)上，平移方向與待測透鏡主軸平行，沿所述的光 纖點(diǎn)光源（1)輸出的光束方向依次是所述的待測凸透鏡鏡架（4)、剪切干涉板（5)、毛玻璃 屏（6)和CCD (7)，所述的剪切干涉板（5)為45°放置反射式的楔形玻璃板，前表面鍍半透 半反膜，后表面鍍?nèi)茨ぁ?br> 2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的凸透鏡焦距的測量裝置，其特征在于：所述的激光測距儀相 對于光纖點(diǎn)光源在水平面左右方向間隔約為10?15mm。
3. 利用權(quán)利要求1所述的凸透鏡焦距的測量裝置測量凸透鏡焦距的方法，其特征在于 該方法包括下列步驟： ① 將待測凸透鏡堅(jiān)直地安裝在所述的待測凸透鏡鏡架（4)上，調(diào)節(jié)光纖點(diǎn)光源（1)與 透鏡自準(zhǔn)直； ② 將經(jīng)透鏡準(zhǔn)直的光束入射剪切干涉板（5)，微調(diào)所述的剪切干涉板（5)與入射光束 的角度，通過(XD (7)觀察所述的毛玻璃屏（6)上剪切干涉條紋圖樣； ③ 當(dāng)剪切干涉條紋在毛玻璃屏（6)上呈現(xiàn)發(fā)散特征時(shí)，光纖點(diǎn)光源沿透鏡光軸向遠(yuǎn)離 待測凸透鏡的方向移動(dòng)；當(dāng)剪切干涉條紋在毛玻璃屏（6)呈現(xiàn)匯聚特征時(shí)，光纖點(diǎn)光源沿 透鏡光軸向靠近待測凸透鏡的方向移動(dòng)；直到剪切干涉條紋呈現(xiàn)平行波光束特征時(shí)，不再 移動(dòng)； ④ 所述的光纖點(diǎn)光源（1)與激光測距儀（2)的測量零點(diǎn)始終保證在與待測透鏡光軸垂 直的同一平面內(nèi)，利用激光測距儀（2)多次采集光纖點(diǎn)光源（1)與待測透鏡間的距離，取平 均值得到待測凸透鏡焦距。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于：當(dāng)紅外感可視儀CCD觀測到的剪切干涉 條紋圖樣不具備平行直線條紋時(shí)，如呈現(xiàn)水平S性彎曲特征曲線時(shí)，表明準(zhǔn)直光束存在小 量初級球差；如條紋干涉場中心呈現(xiàn)橢圓條紋時(shí)，表明準(zhǔn)直光束存在初級慧差；如兩維方 向干涉條紋都為直線條紋，但條紋數(shù)量不一致時(shí)，表明準(zhǔn)直光束存在初級像散。
【文檔編號(hào)】G01M11/02GK104111163SQ201410353007
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】朱海東, 郭愛林, 祝沛, 胡恒春, 唐仕旺, 馬曉君, 謝興龍 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所