專利名稱：透鏡焦距的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及透鏡，特別是一種透鏡焦距的測量裝置。
技術(shù)背景隨著大型激光核聚變裝置(ICF)的迅速發(fā)展，該裝置中用到的空間 濾波器透鏡口徑大0.3 0.5米，焦距長幾十米。而現(xiàn)有的大口徑長焦距 透鏡加工和測量精度僅為1 5%。，基于龍基光柵塔爾博塔效應(yīng)的長焦距 名義測量誤差為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，不適合大口徑、大F數(shù)光學(xué)元件測量的需求?？臻g濾 波器受透鏡加工測量限制，調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝調(diào)維護(hù)困難，因此需 要研制高精度的大口徑長焦距透鏡測量方法，實(shí)現(xiàn)透鏡焦距的高精度測 量，簡化透鏡調(diào)整機(jī)構(gòu)和安裝調(diào)節(jié)方式，提高機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的困難，提供一種透鏡焦 距的測量裝置，該裝置可用于大口徑、大F數(shù)高精密加工完成后的透鏡 (以下簡稱為待測透鏡)進(jìn)行透鏡焦距的測量。該裝置更可用于小口徑 短焦距和大口徑長焦距透鏡的測量和評估，應(yīng)具有直觀精確的優(yōu)點(diǎn)，焦 距測量精度高，機(jī)構(gòu)簡單，也可實(shí)現(xiàn)光學(xué)儀器中透鏡高精度實(shí)時(shí)裝調(diào)測 量，滿足工程需求。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下-一種透鏡焦距的測量裝置，其構(gòu)成包括平面反射鏡、待測透鏡、 點(diǎn)光源、豎直刀口、 一維精密平移導(dǎo)軌、激光測距儀、CCD探測器和顯示器，其位置關(guān)系如下平面反射鏡和待測透鏡豎直地安裝在一個(gè)平臺(tái)上，點(diǎn)光源、豎直刀口、激光測距儀和CCD探測器都固定在光學(xué)調(diào)整架上，該光學(xué)調(diào)整架又安裝在所述的一維精密平移導(dǎo)軌上，該一維精密平移導(dǎo)軌沿所述的待測透鏡主軸線方向并在其焦點(diǎn)的下方設(shè)置，該一維 精密平移導(dǎo)軌的移動(dòng)方向與待測透鏡主軸線平行，所述的點(diǎn)光源、豎直 刀口和激光測距儀的測量零點(diǎn)保證在與待測透鏡的主軸相垂直的同一平 面內(nèi)，而且所述的豎直刀口可相對于點(diǎn)光源作左右平移調(diào)整，該點(diǎn)光源 的發(fā)散光經(jīng)待測透鏡和平面反射鏡的透反后成為會(huì)聚光束，成像在豎直刀口附近，且該像由所述的CCD探測器接收，該CCD探測器的輸出端 與所述的顯示器相連，所述的激光測距儀的發(fā)射光束指向所述的待測透 鏡的幾何主面；所述的平面反射鏡要求具有兩維角度調(diào)整機(jī)構(gòu)。位于所述的待測透鏡的焦點(diǎn)附近的點(diǎn)光源與透反會(huì)聚光束的距離為 2mm 10mm。利用所述的透鏡焦距的測量裝置進(jìn)行透鏡焦距的測量方法，其特征 在于包括下列步驟① 首先將待測透鏡和平面反射鏡豎直地安裝在一光學(xué)平臺(tái)上，調(diào)節(jié) 點(diǎn)光源與待測透鏡自準(zhǔn)直；② 調(diào)節(jié)平面反射鏡使經(jīng)該平面反射鏡反射回來的會(huì)聚光束進(jìn)入所述 的CCD探測器；③ 測量待測透鏡的焦深沿待測透鏡的主軸方向在一維精密平移導(dǎo)軌上移動(dòng)所述的光學(xué)調(diào)整 架，即移動(dòng)點(diǎn)光源、豎直刀口和激光測距儀，并在顯示器中觀察到光斑， 再將點(diǎn)光源自焦前向焦后移動(dòng)和相反，當(dāng)點(diǎn)光源在焦前時(shí)，經(jīng)過待測透鏡后光束發(fā)散，被平面反射鏡反射后，點(diǎn)光源成像在豎直刀口的后方，左右移動(dòng)豎直刀口，通過CCD探測器在顯示器中觀察到光斑變暗方向和豎直刀口移動(dòng)方向相反，即為焦前變化，此時(shí)點(diǎn)光源和豎直刀口位于焦點(diǎn)前，應(yīng)向后移動(dòng)；當(dāng)點(diǎn)光源在焦后時(shí)，經(jīng)過待測透鏡后光束會(huì)聚，被平面反射鏡反射 后點(diǎn)光源成像在豎直刀口前方，左右移動(dòng)豎直刀口，通過CCD探測器 在顯示器中觀察光斑變暗方向和豎直刀口移動(dòng)方向相同，即為焦后變化， 此時(shí)點(diǎn)光源和刀口位于焦點(diǎn)后，應(yīng)向前移動(dòng)。當(dāng)點(diǎn)光源在焦深范圍時(shí)，左右移動(dòng)豎直刀口，通過CCD探測器在 顯示器中觀察到光斑瞬時(shí)變暗，沒有緩變過程即為焦面變化。在顯示器中觀察到焦面變化的點(diǎn)光源和豎直刀口前后兩點(diǎn)之間距 離，即為焦深Z;④ 將點(diǎn)光源和豎直刀口移動(dòng)到焦深的中點(diǎn)處，用激光測距儀測量點(diǎn) 光源到待測透鏡的幾何主面的距離L;⑤ 再根據(jù)透鏡幾何主面和光學(xué)主平面的距離d由下式計(jì)算待測透鏡 的焦距f=L+d，該d由光學(xué)設(shè)計(jì)決定，或用其它光學(xué)方法測量。利用上述透鏡焦距的測量裝置進(jìn)行透鏡光學(xué)質(zhì)量定性評估的方法， 包括下列歩驟① 在所述的豎直刀口的位置替代地設(shè)置三倍衍射極限的濾波孔，在 一維精密平移導(dǎo)軌上移動(dòng)所述的調(diào)整架使點(diǎn)光源和所述的衍射孔到待測 透鏡的焦平面，微調(diào)所述的平面反射鏡使透反光束通過所述的濾波孔， 并在所述的濾波孔和CCD探測器之間插入第二透鏡；② 在所述的濾波孔的后方側(cè)邊用光源照明所述的濾波孔，使待測透 鏡的焦斑經(jīng)濾波孔和第二透鏡成像在CCD探測器面上，在顯示器觀察 遠(yuǎn)場焦斑形狀，根據(jù)焦斑定性地評估待測透鏡的光學(xué)加工質(zhì)量透鏡球差校正不足時(shí)，焦前和焦后焦斑衍射像不同焦前的衍射像 有明銳的、輪廓清晰的光環(huán)，在焦后所有光環(huán)都是模糊的，在焦面上的 焦斑直徑大于理想值；像散是由于光學(xué)元件對光軸傾斜、定中不準(zhǔn)確或元件表面有不規(guī)則 的面形誤差時(shí)引起，焦斑衍射像在焦點(diǎn)前后呈橢圓形，在焦深處呈十字 形；慧差是由于離軸引起，焦斑衍射像光能分布不均勻，同一衍射環(huán)的 亮度和寬度不均勻，光能分布出現(xiàn)明亮的頭部，在一側(cè)殘留斷裂的衍射 環(huán)。本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下1、本實(shí)用新型可以精密測量透鏡焦距和焦深。理想點(diǎn)光源和刀口位于靠近透鏡理論焦點(diǎn)并與透鏡主軸垂直的同一平面內(nèi)，點(diǎn)光源的發(fā)散光 經(jīng)透鏡和反射鏡透反成像在刀口附近，點(diǎn)光源和刀口共同沿透鏡主軸移 動(dòng)，刀口切割反射光束，通過觀察焦前焦后變化確定焦平面位置和焦深， 精確測量焦平面和透鏡幾何主面的距離，換算出焦距。2、本實(shí)用新型可以判別透鏡光學(xué)加工質(zhì)量，采用透反法確定焦平面 位置后，在焦平面的理想點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡后形成滿口徑理想平行 光，經(jīng)過平面反射鏡反射后會(huì)聚的遠(yuǎn)場光斑中包含了透鏡的整體加工面 形信息，可根據(jù)焦斑的信息判斷透鏡加工質(zhì)量水平。


圖1是本實(shí)用新型透鏡焦距測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖圖2是本實(shí)用新型透鏡光學(xué)質(zhì)量判別的機(jī)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
先請參閱圖1，圖1是本實(shí)用新型的透鏡焦距測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本實(shí)用新型透鏡焦距的測量裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括平面反射鏡5、待測透鏡4、點(diǎn)光源l、豎直刀口2、 一維精密平移導(dǎo)軌 3、激光測距儀6、 CCD探測器7和顯示器8，其位置關(guān)系如下平面反 射鏡5和待測透鏡4豎直地安裝在一個(gè)平臺(tái)上，點(diǎn)光源l、豎直刀口2、 激光測距儀6和CCD探測器7都固定在光學(xué)調(diào)整架上，該光學(xué)調(diào)整架 又安裝在所述的一維精密平移導(dǎo)軌3上，該一維精密平移導(dǎo)軌3沿所述 的待測透鏡4主軸線方向并在其焦點(diǎn)的下方設(shè)置，該一維精密平移導(dǎo)軌 3的移動(dòng)方向與待測透鏡4主軸線平行，所述的點(diǎn)光源1、豎直刀口 2 和激光測距儀6的測量零點(diǎn)保證在與待測透鏡4的主軸相垂直的同一平 面內(nèi)，而且所述的豎直刀口2可相對于點(diǎn)光源1作左右平移調(diào)整，該點(diǎn) 光源1的發(fā)散光經(jīng)待測透鏡4和平面反射鏡5的透反后成為會(huì)聚光束， 成像在豎直刀口2附近，且該像由所述的CCD探測器7接收，該CCD 探測器7的輸出端與所述的顯示器8相連，所述的激光測距儀6的發(fā)射 光束指向所述的待測透鏡4的兒何主面；所述的平面反射鏡5要求具有 兩維角度調(diào)整機(jī)構(gòu)。所述的待測透鏡4的焦點(diǎn)附近的點(diǎn)光源1和透反會(huì)聚光束的距離應(yīng) 盡可能小，以不產(chǎn)生嚴(yán)重偏軸象散為準(zhǔn)，與透反會(huì)聚光束的距離為2mm 10mm。利用所述的透鏡焦距的測量裝置進(jìn)行透鏡焦距的測量方法，包括下列步驟① 首先將待測透鏡4和平面反射鏡5豎直地安裝在一光學(xué)平臺(tái)上，調(diào)節(jié)點(diǎn)光源1與待測透鏡4自準(zhǔn)直；② 調(diào)節(jié)平面反射鏡5使經(jīng)平面反射鏡5反射回來的會(huì)聚光束進(jìn)入所 述的CCD探測器7;③ 測量待測透鏡4的焦深沿待測透鏡4的主軸方向在一維精密平移導(dǎo)軌3上移動(dòng)所述的光學(xué) 調(diào)整架，即移動(dòng)點(diǎn)光源1、豎直刀口 2和激光測距儀6，并在顯示器8 中觀察到光斑，再將點(diǎn)光源l自焦前向焦后移動(dòng)，在顯示器8中觀察到 焦面變化的點(diǎn)光源1和豎直刀口 2前后兩點(diǎn)之間距離，即為焦深z;④ 將點(diǎn)光源1和豎直刀口 2移動(dòng)到焦深的中點(diǎn)處，用激光測距儀6 測量點(diǎn)光源1到待測透鏡4的幾何主面的距離L;⑤ 再根據(jù)透鏡幾何主面和光學(xué)主平面的距離d由下式計(jì)算待測透鏡 4的焦距f=L+d，該d由光學(xué)設(shè)計(jì)決定，或用其它光學(xué)方法測量。參閱圖2，圖2是本實(shí)用新型透鏡光學(xué)質(zhì)量判別的機(jī)構(gòu)示意圖。本 實(shí)用新型透鏡光學(xué)質(zhì)量定性評估的方法，包括下列步驟① 在所述的豎直刀口 2的位置設(shè)置三倍衍射極限的濾波孔9，在一 維精密平移導(dǎo)軌3上移動(dòng)所述的調(diào)整架使點(diǎn)光源1和所述的衍射孔9到 待測透鏡4的焦平面，微調(diào)所述的平面反射鏡5使透反光束通過所述的 濾波孔9，并在所述的濾波孔9和CCD探測器7之間插入第二透鏡11;② 在所述的濾波孔9的后方側(cè)邊用光源10照明所述的濾波孔9，使 待測透鏡4的焦斑經(jīng)濾波孔9和第二透鏡11成像在CCD探測器7面上， 在顯示器8觀察遠(yuǎn)場焦斑形狀，根據(jù)焦斑定性地評估待測透鏡4的光學(xué) 加工質(zhì)量透鏡球差校正不足時(shí)，焦前和焦后焦斑衍射像不同焦前的衍射像 有明銳的、輪廓清晰的光環(huán)，在焦后所有光環(huán)都是模糊的，在焦面上的 焦斑直徑大于理想值；像散是由于光學(xué)元件對光軸傾斜、定中不準(zhǔn)確或元件表面有不規(guī)則 的面形誤差時(shí)引起，焦斑衍射像在焦點(diǎn)前后呈橢圓形，在焦深處呈十字 形；慧差是由于離軸引起，焦斑衍射像光能分布不均勻，同一衍射環(huán)的 亮度和寬度不均勻，光能分布出現(xiàn)明亮的頭部，在一側(cè)殘留斷裂的衍射 環(huán)。將本實(shí)用新型用于神光II高能激光(第九路)中空間濾波器SF8的輸出透鏡進(jìn)行測量。待測透鏡的設(shè)計(jì)焦距為9328mm，測量過程中待測透鏡的通光口徑 為ct300mm，理想點(diǎn)光源采用波長A =1.053 ti m單橫模光纖點(diǎn)光源。點(diǎn) 光源的發(fā)散光束經(jīng)透反后為高斯聚焦光束，會(huì)聚的焦光斑半徑為理論焦深<formula>formula see original document page 8</formula>實(shí)際測量結(jié)果為在3mm范圍內(nèi)可以明顯分辨出焦前和焦后變化，與 理論焦深2.8mm非常接近，焦平面位置調(diào)節(jié)精度小于0.5mm。焦平面和 透鏡主面的距離用高精度激光測距儀測量，測量誤差等同于激光測距儀 的精度，采用瑞士萊卡高精度測距儀，測程0.2m至200m，精度達(dá)到士 1.5mm，分辨率為lmm，測量焦平面到透鏡主面的距離為9317mm，根 據(jù)焦距和截距關(guān)系換算出焦距f為9315mm。綜上所述，透反法焦距測量精度3.5mm。針對實(shí)驗(yàn)中的SF8輸出透 鏡焦距測量精度小于3.5/9315=0.37%。。而會(huì)聚光束在焦深處，即在瑞利 范圍內(nèi)光束為準(zhǔn)直光束，濾波小孔在焦深范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)濾波功能， 透反法確定焦深長度大于2.5mm，工程實(shí)施中濾波小孔的位置誤差為1 mm，滿足工程需要。本實(shí)用新型透鏡焦距測量具有直觀精確的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)適用于小口徑 短焦距和大口徑長焦距透鏡，焦距測量可達(dá)萬分之三量級，而且調(diào)節(jié)精 度高，焦深誤差小，結(jié)構(gòu)簡單。本實(shí)用新型專利使用的光學(xué)元件只有高
精度基準(zhǔn)反射鏡，面形精度為He-Ne激光波長的六分之一。當(dāng)點(diǎn)光源偏 離焦平面時(shí)，平面反射鏡的反射作用使豎直刀口和像點(diǎn)的相對移動(dòng)速度 增加一倍，測量精度是普通刀口儀的兩倍。確定焦平面后通過觀察焦斑 形狀可以判斷透鏡的面形誤差。本實(shí)用新型專利原理簡單、實(shí)用，具有 很高的使用價(jià)值。
權(quán)利要求1、一種透鏡焦距的測量裝置，特征在于其構(gòu)成包括平面反射鏡(5)、待測透鏡(4)、點(diǎn)光源(1)、豎直刀口(2)、一維精密平移導(dǎo)軌(3)、激光測距儀(6)、CCD探測器(7)和顯示器(8)，其位置關(guān)系如下平面反射鏡(5)和待測透鏡(4)豎直地安裝在一個(gè)平臺(tái)上，點(diǎn)光源(1)、豎直刀口(2)、激光測距儀(6)和CCD探測器(7)都固定在光學(xué)調(diào)整架上，該調(diào)整架安裝在所述的一維精密平移導(dǎo)軌(3)上，該一維精密平移導(dǎo)軌(3)沿所述的待測透鏡(4)主軸線方向并在其焦點(diǎn)的下方設(shè)置，該一維精密平移導(dǎo)軌(3)的移動(dòng)方向與待測透鏡(4)主軸線平行，所述的點(diǎn)光源(1)、豎直刀口(2)和激光測距儀(6)的測量零點(diǎn)保證在與待測透鏡(4)的主軸相垂直的同一平面內(nèi)，而且所述的豎直刀口(2)可相對于點(diǎn)光源(1)作左右平移調(diào)整，該CCD探測器(7)的輸出端與所述的顯示器(8)相連，所述的激光測距儀(6)的發(fā)射光束指向所述的待測透鏡(4)的幾何主面；所述的平面反射鏡(5)要求具有兩維角度調(diào)整機(jī)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡焦距的測量裝置，其特征在于位于所 述的點(diǎn)光源(1)與透反會(huì)聚光束的距離為2mm 10mm。
專利摘要一種透鏡焦距的測量裝置，其構(gòu)成包括平面反射鏡和待測透鏡豎直地安裝在一個(gè)平臺(tái)上，點(diǎn)光源、豎直刀口、激光測距儀和CCD探測器都固定在光學(xué)調(diào)整架上，該光學(xué)調(diào)整架又安裝在所述的一維精密平移導(dǎo)軌上，該一維精密平移導(dǎo)軌沿所述的待測透鏡主軸線方向并在其焦點(diǎn)的下方設(shè)置，所述的點(diǎn)光源、豎直刀口和激光測距儀的測量零點(diǎn)在與待測透鏡的主軸相垂直的同一平面內(nèi)，該點(diǎn)光源的發(fā)散光經(jīng)待測透鏡和平面反射鏡的透反后成為會(huì)聚光束，成像在豎直刀口附近由所述的CCD探測器接收，該CCD探測器的輸出端與所述的顯示器相連，所述的激光測距儀的發(fā)射光束指向所述的待測透鏡的幾何主面。該裝置適用于小口徑短焦距和大口徑長焦距透鏡的測量。
文檔編號G01M11/00GK201152808SQ20072007455
公開日2008年11月19日 申請日期2007年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月11日
發(fā)明者龐向陽, 林尊琪, 沈衛(wèi)星, 王聰瑜 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所