基于泰伯效应的复合差分式长焦距测量装置

摘要

本发明公开了一种基于泰伯效应的复合差分式长焦距测量装置。激光光源的光经偏振片、λ/4波片、显微物镜和准直镜，由分光棱镜分成两路光束，其中一路光入射到标准透镜、第一光栅和第二光栅，在第一毛玻璃上形成莫尔条纹，第一CCD采集条纹输入计算机计算出角度α

说明书

技术领域

本发明属于光学测试领域，尤其涉及一种基于泰伯效应的复合差分式长焦距测量装置。

背景技术

在光学、天文和军事等领域，长焦距透镜是非常关键的基础部件，发挥着越来越重要的作用，而且所需的焦距越来越大，口径也越来越大。在大型系统中，比如国家点火装置，长焦距透镜是关键的聚光元件。长焦距透镜的使用需要相应的检测技术，但是目前高精度检测特别是精确到几毫米甚至几百微米的测量仍然存在很多困难。目前焦距测量技术很多，比如球径仪就可以准确测量到2米，精度有万分之一。但是随着焦距的增大，增大到十几米至几十米等，目前的方法大多都需要将光束拉得很长，受到外界干扰特别是空气扰动和外界震动的影响难以消除，而且本身光路中的像差随着焦距的增大对焦点位置的测量影响也增大，很难实现高精度测量。因此易于实现的长焦距精密测量方法和装置具有非常大的应用空间。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于泰伯效应的复合差分式长焦距测量装置。

一种基于泰伯效应的复合差分式长焦距测量装置包括激光光源、偏振片、λ/4波片、显微物镜、准直镜、分光棱镜、待测长焦距透镜、反射镜、标准透镜、第一光栅、第二光栅、第一毛玻璃、第一CCD、第三光栅、第四光栅、第二毛玻璃和第二CCD；激光光源发出的光经过偏振片、λ/4波片、显微物镜和准直镜后，由分光棱镜分成两路光束，其中一路光入射到标准透镜、第一光栅和第二光栅，在第一毛玻璃上形成莫尔条纹，第一CCD采集条纹输入计算机计算出角度α₁，得到标准透镜的焦距；另一路光入射到待测长焦距透镜，经反射镜反射回来入射到第三光栅和第四光栅，在第二毛玻璃上形成莫尔条纹，第二CCD采集条纹输入计算机计算条纹角度α₂，得到待测长焦距透镜焦距；对上述得到的α₁和α₂做差分修正待测长焦距值，将测得标准焦距和实际标准焦距差分继续修正待测长焦距值，从而得到高精度待测长焦距透镜焦距值。

所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅是结构均匀的周期性线形光栅，周期均为20～100微米，厚度为0.5~3毫米。所述第一光栅和第三光栅放置在电控位移台上。所述第二光栅和第四光栅放置在电控角位移台上。

本发明的有益效果是：

1. 本发明利用复合差分式来提高测量精度，通过两次差分的方法来消除外界空气扰动、震动和光源不稳定性等外界扰动带来的误差，而且也可以精确的修正测量值，从而得到非常精确的长焦距值，精度可达万分之一。

2. 本发明利用泰伯效应和莫尔条纹技术，这种衍射测量的技术比现有的干涉测量有着更高的精度，无需将光路拉长，结构紧凑，测量精度很高，可以实现长焦距透镜和光学系统焦距的高精度测量。

3.本发明光路紧凑简单易于实现，利用计算机自动控制光栅移动来调节泰伯距离以及光栅夹角，可以实现自动测量和数据处理。

附图说明

图1是基于泰伯效应的复合差分式长焦距测量装置结构示意图；

图2是本发明的复合差分流程图。

具体实施方式

本发明的工作原理：激光光源发出的光束经过偏振片和λ/4波片出射，进入显微物镜和准直镜，形成一束平行光束，该平行光束由分光棱镜分成两路光束，其中一路光束入射到标准透镜、第一光栅和第二光栅，在第二光栅后面的第一毛玻璃上形成莫尔条纹，第一CCD采集条纹输入计算机计算出角度α₁，得到标准透镜的焦距；另外一路光入射到待测长焦距透镜，经反射镜反射回来入射到第三光栅和第四光栅，在第二毛玻璃上形成莫尔条纹，第二CCD采集条纹输入计算机计算条纹角度α₂，得到待测长焦距透镜焦距。第一CCD13采集到的莫尔条纹计算得到的条纹角度α₁和第二CCD17采集到的莫尔条纹计算得到的角度α₂做第一次差分运算，得到一个修正的新的条纹角度α₁，根据α₁计算得到待测长焦距透镜初步焦距值；根据第二CCD17采集到的莫尔条纹计算得到的角度α₂计算得到标准透镜焦距测量值，将该值和标准透镜焦距准确值做第二次差分运算，进而继续修正待测长焦距透镜初步焦距值，从而得到待测长焦距透镜焦距值，这样的复合式差分处理可以消除空气扰动、外界震动以及光源不稳定性等因素的影响，得到高精度的长焦距透镜的焦距值。其中偏振片和λ/4波片可以保证光束单向传输，避免反射杂散光进入激光器影响激光输出，从而影响测量精度。

如图1所示，一种基于泰伯效应的复合差分式长焦距测量装置包括激光光源1、偏振片2、λ/4波片3、显微物镜4、准直镜5、分光棱镜6、待测长焦距透镜7、反射镜8、标准透镜9、第一光栅10、第二光栅11、第一毛玻璃12、第一CCD 13、第三光栅14、第四光栅15、第二毛玻璃16和第二CCD17；激光光源1发出的光经过偏振片2、λ/4波片3、显微物镜4和准直镜5后，由分光棱镜6分成两路光束，其中一路光入射到标准透镜9、第一光栅10和第二光栅11，在第一毛玻璃12上形成莫尔条纹，第一CCD13采集条纹输入计算机计算出角度α₁，得到标准透镜的焦距；另一路光入射到待测长焦距透镜7，经反射镜8反射回来入射到第三光栅14和第四光栅15，在第二毛玻璃16上形成莫尔条纹，第二CCD17采集条纹输入计算机计算条纹角度α₂，得到待测长焦距透镜焦距；第一CCD13采集到的莫尔条纹计算得到的条纹角度α₁和第二CCD17采集到的莫尔条纹计算得到的角度α₂做第一次差分运算，得到一个修正的新的条纹角度α₁，根据α₁计算得到待测长焦距透镜初步焦距值；根据第二CCD17采集到的莫尔条纹计算得到的角度α₂计算得到标准透镜焦距测量值，将该值和标准透镜焦距准确值做第二次差分运算，进而继续修正待测长焦距透镜初步焦距值，从而得到高精度的待测长焦距透镜焦距值。

所述第一光栅10、第二光栅11、第三光栅14和第四光栅15是结构均匀的周期性线形光栅，周期均为20～100微米，厚度为0.5~3毫米；所述第一光栅10和第三光栅14放置在电控位移台上，可以自动控制第一光栅10和第三光栅14在光轴方向上移动；所述第二光栅11和第四光栅15放置在电控角位移台上，可以自动控制第二光栅11和第四光栅15在垂直光轴方向上转动。

如图2所示是基于泰伯效应的复合差分式长焦距测量方法和装置的复合差分流程图， 计算得到第一CCD13采集的莫尔条纹角度α₁和第二CCD17采集的莫尔条纹角度α₂第一次差分处理后得到修正的α₁，从而得到待测长焦距透镜初步焦距值，第一次差分可以消除空气扰动、震动以及光源不稳定性等因素的影响，因为两个CCD采集到的条纹图像是由分光棱镜6分出的两路光束得到的，是一种共路系统；根据第二CCD17采集的莫尔条纹角度α₂计算得到标准透镜的焦距测量值，将该值与已知标准透镜的准确焦距值做第二次差分处理，将得到的修正量引入到待测长焦距透镜初步焦距值中，从而得到准确的精度很高的待测长焦距透镜焦距值，第二次差分处理可以进一步消除误差，从而得到高精度长焦距透镜焦距值。