[发明专利]多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置，属于光学元件参数精密测量技术领域。

技术背景

长焦距光学元件广泛应用于激光核聚变、空间光学系统和高能激光器等大型光学系统研究领域中。然而，长焦距透镜焦距值的高精度测量一直是光学测试领域尚未解决的一大难题，其测量精度也直接影响了大型光学系统的成像质量和使用性能。因此，寻找一种长焦距的高精度测量方法具有很重要的应用价值，也是激光核聚变、空间光学仪器和高能激光器等国家重大专项和国家重大工程项目的研制和装调中亟待解决的技术瓶颈。

目前，针对长焦距的高精度测量，国内外研究者已经提出了很多不同的测量方法，这些测量方法总体上可分为两类。

第一类是基于传统的几何成像原理的测量方法。比如，1999年在《Journal of Optical Technology》中发表的《Measuring the focal lengths of long-focus optical systems》一文中，作者提出在准直光路中插入一个小角度光楔，通过测量光学系统焦平面上有/无光楔时像的位置变化来获得被测焦距值的测量方法，该方法对25000mm焦距的相对测量精度为0.1％。再如1987年在《Applied optics》中发表的《Determination of the focal length of nonparaxial lenses by moire deflectometry》一文中，作者提出利用摩尔效应，通过测量摩尔条纹旋转角度来实现被测镜焦距测量，其理论相对测量误差小于0.1％。这些传统的基于几何成像原理的测量方法受衍射极限的限制，其测量精度难以进一步提高。

第二类是基于泰伯效应的测量方法，这也是目前长焦距测量研究领域中最常用的方法。根据泰伯效应，当用球面光波照射一个光栅时，产生的周期性泰伯像与波前曲率半径有一个对应关系，在泰伯像面位置再放置一个光栅就会产生莫尔条纹，根据莫尔条纹偏转角度与曲率半径对应关系实现焦距测量。基于此原理，1991年在《Applied optics》中发表的《Measurement of the focal length of a collimating lens using the Talbot effct and the Moire technique》一文中，作者利用一个准直镜取代了复杂的准直系统，受莫尔条纹角度判别精度限制，其对200mm焦距值测量精度仅为2％。为提高条纹角度判定精度，2005年在《Applied optics》中发表的《Measurement of focal length with phase-shifting Talbot interferometry》一文中，作者采用傅立叶分析技术滤除光栅条纹造成的图像噪声提高摩尔条纹角度判别精度，在焦距为240mm条件下，测量误差小于0.3％。我国浙江大学也对此方法进行了深入研究，并在2005年《Optics And Lasers In Engineering》中发表了《Novel method for testing the long focal length lens of large aperture》，作者将泰伯效应和扫描测量技术相结合，对被测镜不同位置进行实时扫描测得被测焦距值，其在口径150mm，焦距值18000mm长度下，相对测量精度优于0.13％。为进一步提高测量精度，又在2014年《Optics express》中发表的《Long focal-length measurement using divergent beam and two gratings of different periods》一文中，作者提出采用发散光束和不等周期光栅取代传统准直光束和等周期光栅的测量方法，其在焦距为13500mm的长度下，相对误差小于0.0018％。与第一类测量方法相比，这类基于泰伯效应的测量方法已经达到了较高的测量精度，但都是以条纹变化信息为评价尺度，而实际测量中干涉条纹很容易受到气流、温度和抖动等环境因素影响，制约了其在工程中推广应用和测量精度进一步提高。

综上，长焦距的高精度测量仍然是是光学测试领域一大难题，其主要难点在于：

1)焦深长，受衍射效应的影响，难以精确定焦；

2)焦距长，测量光路长，受测量环境干扰和系统漂移的影响，难以精密测长；

3)焦距长，给测量系统构建和测量环境提出了苛刻的要求，亟待攻克通过小尺寸测量来实现长焦距高精确测量难题，来减少仪器体积，提高抗环境干扰能力。