[发明专利]多焦全息差动共焦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超长焦距测量。

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-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。

本发明“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。

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。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明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′₁，计算被测超长焦距透镜的焦距：f′＝f′₁+d。