凸透镜焦距的测量装置和测量方法
【专利摘要】一种凸透镜焦距的测量装置和测量方法，该装置由1053nm光纤点光源、激光测距仪、精密移动导轨、待测凸透镜、剪切干涉板、毛玻璃屏和CCD组成。利用CCD观察经透镜准直后输出光束在剪切干涉板形成的条纹图样，调节光纤点光源在精密移动导轨的移动方向及位置，最终使得1053nm点光源处于焦面位置，然后利用激光测距仪测量得到透镜焦距。本发明具有结构简单，调整方便，测量精度高的特点，并可利用测量过程中产生的横向剪切干涉条纹对凸透镜光学质量进行评估，为凸透镜装校和光学加工提供有价值的检测数据。
【专利说明】凸透镜焦距的测量装置和测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及凸透镜，特别是一种凸透镜焦距的测量装置和测量方法。
【背景技术】
[0002] 通常，高功率激光系统中具备大量不同口径空间滤波器和光束缩束系统，前者用 于抑制非线性效应，提高系统安全运行通量，对高频信息进行滤波截止，保护激光工作介 质；后者多用于光束成像传输和激光参数测量。空间滤波器和缩束光学系统核心光学元件 为具备不同口径和焦距的光学凸透镜。焦距及其光学质量是光学凸透镜最基本的技术参 数。
[0003] 为了测量光学凸透镜的焦距，人们提出了多种测量技术，例如透镜自准法、物像成 像法及共轭法等方法，但它们的测量精度仅为1-5%。，难于满足高功率激光系统红外波段 (1053nm)焦距测量和使用要求。基于龙基光栅塔尔博塔效应的长焦距测量误差为0. 15%， 但该方法机构复杂，光学元件多，测量结果受标定误差的影响大，不能普遍适合高功率激光 系统不同F数凸透镜焦距的测量需求。因此，需要研制高精度凸透镜焦距及其光学质量检 测装置用于高功率激光系统凸透镜加工和装校，以简化凸透镜调整机构和装校方式，最终 提高激光系统输出光束质量。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服上述凸透镜焦距检测技术的不足，提出一种凸透镜焦距的测 量装置和测量方法，该装置和方法具备结构简单，调整方便，测量精度高等特点，并可利用 测量过程中产生的横向剪切干涉条纹对凸透镜光学质量进行评估，为凸透镜装校和光学加 工提供有价值的检测数据。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
[0006] -种凸透镜焦距的测量装置，其特点在于：该装置由光纤点光源、激光测距仪、精 密移动导轨、待测凸透镜镜架、剪切干涉板、毛玻璃屏和C⑶组成，所述的点光源是纤芯直 径为5. 8 μ m光纤点光源，所述的光纤点光源和激光测距仪安装在同一调整架上，调整架具 有整体升降、俯仰和左右移动调节机构，光纤点光源和激光测距仪的测量零点保证在与待 测凸透镜的光轴垂直的同一平面内，所述调整架固定于前后平移精密移动导轨上，平移方 向与待测透镜主轴平行，沿所述的光纤点光源输出的光束方向依次是所述的待测凸透镜镜 架、剪切干涉板、毛玻璃屏和CCD，所述的剪切干涉板为45°放置反射式的楔形玻璃板，前 表面镀半透半反膜，后表面镀全反膜。
[0007] 所述的激光测距仪相对于光纤点光源在水平面左右方向间隔约为10?15_。
[0008] 利用上述的凸透镜焦距的测量装置测量凸透镜焦距的方法，该方法包括下列步 骤：
[0009] ①将待测凸透镜坚直地安装在所述的待测凸透镜镜架上，调节光纤点光源与透镜 自准直；
[0010] ②将经透镜准直的光束入射剪切干涉板，微调所述的剪切干涉板与入射光束的角 度，通过CCD观察所述的毛玻璃屏上剪切干涉条纹图样；
[0011] ③当剪切干涉条纹在毛玻璃屏上呈现发散特征时，光纤点光源沿透镜光轴向远 离待测凸透镜的方向移动；当剪切干涉条纹在毛玻璃屏呈现汇聚特征时，光纤点光源沿透 镜光轴向靠近待测凸透镜的方向移动；直到剪切干涉条纹呈现平行波光束特征时，不再移 动；
[0012] ④所述的光纤点光源与激光测距仪的测量零点始终保证在与待测透镜光轴垂直 的同一平面内，利用激光测距仪多次采集光纤点光源与待测透镜间的距离，取平均值得到 待测凸透镜焦距。
[0013] 当红外感可视仪CCD观测到的剪切干涉条纹图样不具备平行直线条纹时，如呈现 水平S性弯曲特征曲线时，表明准直光束存在小量初级球差；如条纹干涉场中心呈现椭圆 条纹时，表明准直光束存在初级慧差；如两维方向干涉条纹都为直线条纹，但条纹数量不一 致时，表明准直光束存在初级像散。
[0014] 经凸透镜产生的近似平面波入射剪切干涉板时，剪切干涉板将复制被测波前并产 生小量平移，得到原始波前和平移后剪切波前之间的干涉图样。干涉图样特征可高精度表 征平面波质量和直观评估透镜光学质量及其像差特征。
[0015] 本发明能够广泛应用到干涉计量和透镜加工质量评估领域，具有设备简单、高精 度测量、干涉图样直观等特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为利用剪切干涉测量凸透镜焦距的装置示意图；
[0017] 图中：1 一 1053nm光纤点光源，2 -激光测距仪，3 -精密移动导轨，4 一待测凸透 镜，5 -剪切干涉板，6 -毛玻璃屏，7 - (XD。
[0018] 图2为CCD中观测到的剪切干涉条纹示意图；
[0019] 图中左图条纹沿斜上方向倾斜，光束具有发散特征；中间图形条纹与基准线平行， 光束是平行光束；右图条纹沿斜下方向倾斜，光束具有会聚特征。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：
[0021] 先请参阅图1，由图可见，本发明凸透镜焦距的测量装置，由光纤点光源1、激光测 距仪2、精密移动导轨3、待测凸透镜镜架4、剪切干涉板5、毛玻璃屏6和(XD7组成，所述的 点光源1是纤芯直径为5. 8 μ m光纤点光源，所述的光纤点光源1和激光测距仪2安装在同 一调整架上，调整架具有整体升降、俯仰和左右移动调节机构，光纤点光源1和激光测距仪 2的测量零点保证在与待测凸透镜的光轴垂直的同一平面内，所述调整架固定于前后平移 精密移动导轨3上，平移方向与待测透镜主轴平行，沿所述的光纤点光源1输出的光束方向 依次是所述的待测凸透镜镜架4、剪切干涉板5、毛玻璃屏6和(XD7,所述的剪切干涉板5为 45°放置反射式的楔形玻璃板，前表面镀半透半反膜，后表面镀全反膜。
[0022] 所述的激光测距仪相对于光纤点光源在水平面左右方向间隔约为10?15mm。
[0023] 本发明中利用1053nm激光光纤点光源放置于待测凸透镜焦点附近后，待测凸透 镜出射近似平面波。使用具有合适剪切量的剪切干涉板对近似平面波进行干涉计量获得干 涉条纹。干涉条纹图样实时显现平面波波面质量和凸透镜光学质量，并可准确确定待测凸 透镜焦点、待测凸透镜焦距及显现其固有像差特征。
[0024] 横向剪切干涉仪具备复制和平移原始波前的基本特征。附图2为毛玻璃屏观测 到的原始波前和横向剪切波前的干涉示意图形。当入射波前为近似平面时，波前表示为 W(x，y)，（x，y)为任意点P(x，y)的坐标位置。当波前在X方向有量值为S的剪切时，剪 切波前的任意一点上的波前误差为W(x_S，y)。在P(x，y)点上，原始波前和剪切波前之间 的波前差异AW(x，y) =W(x，y)-W(x-S，y)。这样，在剪切干涉计量中，需要求得的量即为 AW(x，y)。可以将波前误差AW(x，y)按照常规关系式表示为：
[0025] AW(x，y) =ηλ (1)
[0026] 其中，η为干涉条纹的级次，λ为所用的波长。在(S/&)形式下，上式的左边可以 是其若干倍。当剪切量S极小并在理论上接近零时，波前差异的变化相对平移量的变化成 微分形式，可写成为：
[0027]
【权利要求】
1. 一种凸透镜焦距的测量装置，其特征在于：该装置由光纤点光源（1)、激光测距仪 (2)、精密移动导轨（3)、待测凸透镜镜架（4)、剪切干涉板（5)、毛玻璃屏（6)和CCD(7)组 成，所述的点光源（1)是纤芯直径为5.8μπι光纤点光源，所述的光纤点光源（1)和激光测 距仪（2)安装在同一调整架上，调整架具有整体升降、俯仰和左右移动调节机构，光纤点光 源（1)和激光测距仪（2)的测量零点保证在与待测凸透镜的光轴垂直的同一平面内，所述 调整架固定于前后平移精密移动导轨（3)上，平移方向与待测透镜主轴平行，沿所述的光 纤点光源（1)输出的光束方向依次是所述的待测凸透镜镜架（4)、剪切干涉板（5)、毛玻璃 屏（6)和CCD (7)，所述的剪切干涉板（5)为45°放置反射式的楔形玻璃板，前表面镀半透 半反膜，后表面镀全反膜。
2. 根据权利要求1所述的凸透镜焦距的测量装置，其特征在于：所述的激光测距仪相 对于光纤点光源在水平面左右方向间隔约为10?15mm。
3. 利用权利要求1所述的凸透镜焦距的测量装置测量凸透镜焦距的方法，其特征在于 该方法包括下列步骤： ① 将待测凸透镜坚直地安装在所述的待测凸透镜镜架（4)上，调节光纤点光源（1)与 透镜自准直； ② 将经透镜准直的光束入射剪切干涉板（5)，微调所述的剪切干涉板（5)与入射光束 的角度，通过(XD (7)观察所述的毛玻璃屏（6)上剪切干涉条纹图样； ③ 当剪切干涉条纹在毛玻璃屏（6)上呈现发散特征时，光纤点光源沿透镜光轴向远离 待测凸透镜的方向移动；当剪切干涉条纹在毛玻璃屏（6)呈现汇聚特征时，光纤点光源沿 透镜光轴向靠近待测凸透镜的方向移动；直到剪切干涉条纹呈现平行波光束特征时，不再 移动； ④ 所述的光纤点光源（1)与激光测距仪（2)的测量零点始终保证在与待测透镜光轴垂 直的同一平面内，利用激光测距仪（2)多次采集光纤点光源（1)与待测透镜间的距离，取平 均值得到待测凸透镜焦距。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于：当红外感可视仪CCD观测到的剪切干涉 条纹图样不具备平行直线条纹时，如呈现水平S性弯曲特征曲线时，表明准直光束存在小 量初级球差；如条纹干涉场中心呈现椭圆条纹时，表明准直光束存在初级慧差；如两维方 向干涉条纹都为直线条纹，但条纹数量不一致时，表明准直光束存在初级像散。
【文档编号】G01M11/02GK104111163SQ201410353007
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】朱海东, 郭爱林, 祝沛, 胡恒春, 唐仕旺, 马晓君, 谢兴龙 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所