基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于组合透镜法测试焦距的测量装 置和测量方法，尤其涉及一种采用了光栅尺三探头结构的基于组合透镜法测试焦距的测量 装置和测量方法。
【背景技术】
[0002] 焦距是透镜类光学元件的一项非常重要的指标，对焦距测量的准确度直接关系到 整个光学系统的性能。随着高功率激光技术等大型光学系统的发展，对长焦距透镜的需求 以及测量精度的要求越来越高。目前，常用的焦距检测方法有：物距像距法、自准直法、全息 法、精密测角法、莫尔条纹法、朗奇光栅泰伯效应法、组合透镜法等。但对于长焦透镜焦距测 量，为了得到高测量精度，必须尽可能的控制空气扰动及振动等环境因素，而上述大多数方 法因具有过长空间测量距离而不能满足测量要求。
[0003] 基于朗奇光栅泰伯效应的长焦距测量技术是近期发展起来的一种新兴技术，已经 成功应用于长焦透镜的加工检测。但其测量口径小，不能测量全口径，而且透镜自身的像差 严重影响不同位置的测量结果。组合透镜法也是一种常用的透镜长焦距检测方法，其利用 标准球面透镜和待测透镜组合，可极大缩短透镜的空间测量长度，避免环境干扰，而且可以 做到全口径检测。
[0004] 如申请号为200810226966. 1的发明专利就公开了一种差动共焦组合超长焦距测 量方法与装置，该测量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和两透镜的间距，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。该测量 装置包括光源、分光系统、参考透镜、反射镜、差动共焦定焦系统；其中分光系统、参考透镜 和反射镜依次放在光源出射光线方向，差动共焦定焦系统放置在分光系统的反射方向，反 射镜与分光系统将光束反射至差动共焦定焦系统，并配合差动共焦定焦系统实现焦点位置 a与焦点位置b的定焦。该发明虽融合了差动共焦定焦原理与组合透镜法，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。但是，采用该发明专利中的测量方 法及测量装置进行焦距的测量时，与现有的焦距测量方法与测量装置一样，均需要知道标 准（或参考）透镜的焦距、标准（或参考）透镜的顶点与待测透镜的顶点之间的距离等参 数，将这些参数代入对应的公式中得出待测透镜的焦距。然而，标准（或参考）透镜的焦距 在进行测量时本身就存在测量误差，在测量标准（或参考）透镜的顶点与待测透镜的顶点 之间的距离时通常是进行直接测量，很难精确测量量透镜的顶点之间的距离，因而通过这 些参数导入对应公式计算焦距时，由于引入了标准（或参考）透镜的焦距、标准（或参考） 透镜的顶点与待测透镜的顶点之间的距离等参数的误差，且误差还较大，因而无法满足高 精度的焦距测量的要求。
【发明内容】
[0005] 本发明的发明目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种基于组合透镜法的 光栅尺三探头焦距测量装置及测量方法，将常规组合透镜方法中两透镜顶点之间的距离检 测转换为标准透镜移动距离的检测，利用干涉条纹和光栅尺探头准确定位标准透镜以及组 合透镜的焦点位置，从而简化了测量方法，可实现在标准透镜参数未尽知的情况下焦距的 测量，提高对待测透镜的焦距的测量精度。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置，包括干涉仪系统和光栅尺， 所述光栅尺上沿光栅尺的长度方向依次设置有第一支架、第二支架和第三支架，所述第一 支架、第二支架和第三支架可分别单独沿光栅尺的长度方向移动；所述第一支架的连接端、 自由端分别连接有第一探头、标准透镜，所述第二支架的连接端、自由端分别连接有第二探 头、待测透镜，所述第三支架的连接端、自由端分别连接有第三探头、平面反射镜；所述干涉 仪系统出射的准直激光依次经标准透镜、待测透镜后聚焦在平面反射镜上，并在平面反射 镜上产生反射形成反射激光，反射激光依次经待测透镜、标准透镜后进入干涉仪系统。
[0008] 作为本发明的优选方案，所述干涉仪系统为斐索干涉仪系统、迈克尔逊干涉仪系 统或泰曼格林干涉仪系统。
[0009] 作为本发明的优选方案，所述干涉仪系统为斐索干涉仪系统，所述斐索干涉仪系 统包括激光器、显微物镜、分束器、透镜、CCD探测器和准直透镜；所述激光器出射的激光经 显微物镜后入射至分束器并有分束器分成参考激光和测量激光，所述参考激光经透镜后入 射至C⑶探测器；所述测量激光经准直透镜后形成准直激光，透过标准透镜、待测透镜后经 平面反射镜反射的激光经准直透镜后入射至分束器并在分束器上产生反射形成再反射激 光，所述再反射激光经透镜后入射至C⑶探测器。
[0010] 一种基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤一、取出基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置中的平面反射镜，调 节标准透镜与待测透镜之间的间距，使待测透镜的顶点位于标准透镜的焦点C处，第一探 头、第二探头分别对应记录此时标准透镜的位置点A、待测透镜的位置点C;
[0012] 步骤二、将标准透镜往远离干涉仪系统的方向移动一段距离至位置点B，将平面反 射镜放入基于组合透镜法的光栅尺三探头焦距测量装置中，并调节平面反射镜的位置，使 平面反射镜位于标准透镜和待测透镜组成的组合透镜焦点D处，第一探头、第三探头分别 对应记录此时标准透镜的位置点B、平面反射镜的位置点D，通过光栅尺读出第一探头、第 三探头的位置以及标准透镜的移动距离A和待测透镜的左顶点与平面反射镜之间的间距 S；
的移动距离，S为步骤二中待测透镜的左顶点与平面反射镜之间的间距。
[0014] 作为本发明的优选方案，所述步骤一和步骤二中的基于组合透镜法的光栅尺三探 头焦距测量装置包括干涉仪系统和光栅尺，所述光栅尺上沿光栅尺的长度方向依次设置有 第一支架、第二支架和第三支架，所述第一支架、第二支架和第三支架可分别单独沿光栅尺 的长度方向移动；所述第一支架的连接端、自由端分别连接有第一探头、标准透镜，所述第 二支架的连接端、自由端分别连接有第二探头、待测透镜，所述第三支架的连接端、自由端 分别连接有第三探头、平面反射镜；所述干涉仪系统出射的准直激光依次经标准透镜、待测 透镜后聚焦在平面反射镜上，并在平面反射镜上产生反射形成反射激光，反射激光依次经 待测透镜、标准透镜后进入干涉仪系统。
[0015] 作为本发明的优选方案，所述干涉仪系统为斐索干涉仪系统、迈克尔逊干涉仪系 统或泰曼格林干涉仪系统。
[0016] 作为本发明的优选方案，所述干涉仪系统为斐索干涉仪系统，所述斐索干涉仪系 统包括激光器、显微物镜、分束器、透镜、CCD探测器和准直