基于计算全息测量透镜焦距的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010172017.0 (22)申请日 2020.03.12 (71)申请人 中国工程物理研究院激光聚变研究 中心 地址 621900 四川省绵阳市绵山路64号 (72)发明人 魏小红徐凯源何宇航万道明 陈宁石振东 (74)专利代理机构 北京慕达星云知识产权代理 事 务 所( 特 殊 普 通 合 伙 ) 11465 代理人 符继超 (51)Int.Cl. G01M 11/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于计算全息测量透镜焦距的方法 (57)摘要 本发明公开了。

2、一种基于计算全息测量透镜 焦距的方法， 包括如下步骤： CGH的设计， 根据透 镜前后表面的曲率半径、 中心厚、 透镜的材质以 及透镜与CGH的间距， 得出CGH各环带半径参数， 制作CGH； 背景波前的获取， 采用平面干涉仪， 多 次测量CGH的0级波前， 取平均为背景波前； 透镜 与CGH的间距的获取， 采用平面干涉仪， 多次测量 透镜的波前， 同时测量透镜与CGH的间距， 将各透 射波前减去背景波前， 计算离焦量-间距关系， 得 到最优间距； 透镜焦距获取， 测量CGH的1级曲率 半径， 根据CGH的1级曲率半径以及透镜与CGH的 间距， 得透镜的焦距。 本发明实现了长焦透镜焦 距的高精。

3、度检测， 缩短了整体检测光路长度， 提 升了抗环境干扰能力。 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 CN 111256959 A 2020.06.09 CN 111256959 A 1.一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 其特征在于， 包括如下步骤： 1)CGH的设计， 根据被测透镜前后表面的曲率半径、 中心厚、 透镜的材质以及待测透镜 与CGH的间距， 得出CGH的各环带半径参数， 从而制作出CGH； 2)背景波前的获取， 采用平面干涉仪， 多次测量CGH的0级波前， 取平均作为背景波前； 3)被测透镜与CGH的间距的获取， 采用平面干涉仪， 将被测透镜置于平面干涉仪的标准 平面镜与CGH。

4、之间， 多次测量透镜的波前， 同时测量透镜与CGH的间距， 将各透射波前减去背 景波前， 计算离焦量-间距的关系， 利用最小二乘法拟合得到最优间距； 4)透镜焦距获取， 采用球面干涉仪， 先测量CGH的1级曲率半径， 然后根据CGH的曲率半 径以及被测透镜与CGH的间距， 得出被测透镜的焦距。 2.根据权利要求1所述的一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 其特征在于， 根据被 测透镜的焦距， 设计第一级衍射曲率半径； 根据费马等光程原理， 计算CGH的位相分布。 3.根据权利要求2所述的一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 其特征在于， 制作出 CGH的具体方法包括： 从平面干涉仪出射的平行光。

5、经被测透镜、 CGH的所有光线的光程均相等， 即有 n0|PQ|+n1|QM|+n0|MN|+(r)n0d1+n1d2+n0d3C (1) 其中， C为常数， (r)为CGH补偿的相位代表的光程差， |PQ|为P点与Q点之间的光程， | QM|为Q点与M点之间的光程， |MN|为M点与N点之间的光程， n0为空气的折射率， n1为透镜的折 射率， d1为平面干涉仪的标准平面镜到透镜的距离， d2为透镜的厚度， d3为透镜后表面到CGH 的距离； 由此可得 (r)n0d1+n1d2+n0d3-(n0|PQ|+n1|QM|+n0|MN|) (2) 根据被测透镜前后表面的曲率半径、 中心厚、 透镜的。

6、材质以及待测透镜与CGH的间距， 计算出CGH的各环带半径参数， 从而使用激光直写或离子束刻蚀方法制作CGH。 4.根据权利要求1所述的一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 其特征在于， 在CGH 与平面干涉仪输出的准直平行光通过平面干涉仪端部的标准平面镜时， 一部分准直平行光 经标准平面镜反射形成标准参考光束， 另一部分准直平行光依次透过标准平面镜、 被测透 镜后， 被CGH反射并沿原路返回形成测试光束， 测试光束与标准参考光束产生干涉条纹； 调 节被测透镜与CGH之间的相对位置和姿态， 得到一组离焦量不同的透射波前图， 从而获得透 射波前。 5.根据权利要求4所述的一种基于计算全息测量透镜。

7、焦距的方法， 其特征在于， 被测距 透镜放置于五维调节架上， CGH放置于二维调节架上， 进行被测透镜与CGH之间的相对位置 和姿态的调节。 6.根据权利要求1或5所述的一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 其特征在于， 通 过球面干涉仪的干涉条纹判读来精确确定猫眼和共焦两点位置， 并测得这两点之间的距离 来得到CGH的曲率半径。 7.根据权利要求6所述的一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 其特征在于， 针对检 测透射波前设计的CGH， 在曲率半径标定时， 采用高衍射级次光。 8.根据权利要求7所述的一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 其特征在于， 测量得 到的猫眼与共焦两点位置间的间距，。

8、 为CGH的n级衍射级次的曲率半径Rn； 1级曲率半径R nRn； 被测长焦距透镜的焦距f与CGH的1级率半径R满足关系： fR+ ， 其中 为CGH与透镜之 权利要求书 1/2 页 2 CN 111256959 A 2 间的间距。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111256959 A 3 一种基于计算全息测量透镜焦距的方法 技术领域 0001 本发明属于透镜焦距检测技术领域， 更具体的说是涉及一种基于计算全息测量透 镜焦距的方法。 背景技术 0002 随着航空、 航天、 和天文学等领域的发展， 加大了对光学系统质量和精度的要求， 为保证光学系统成像质量， 精确测量光学透镜焦距显得越来越重。

9、要。 大口径长焦距透镜广 泛应用于惯性约束聚变、 天文探测系统等国家大型光学装置中。 焦距是该类元件的一项重 要指标， 焦距与设计不匹配将直接影响光束质量和成像质量。 0003 现有光学透镜焦距测试方法主要有刀口法、 哈特曼法、 莫尔偏折法、 组合透镜法和 激光差动共焦法。 其中， 刀口法和哈特曼法所需空间较长， 结果受检测人员主观影响较大； 莫尔偏折法采用莫尔条纹判读的方式， 受环境影响明显， 且溯源困难； 组合透镜法虽然极大 的缩短了检测光路长度， 但仍无法解决干涉法固有抗干扰能力差的问题， 且被测镜和标准 镜的距离作为关键参数无法准确测量。 0004 因此， 如何提供一种高精度测量透镜焦。

10、距的方法是本领域技术人员亟需解决的问 题。 发明内容 0005 有鉴于此， 本发明提供了一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 实现了长焦透 镜焦距的高精度检测， 缩短了整体检测光路长度， 提升了抗环境干扰能力。 0006 为了实现上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0007 一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 包括如下步骤： 0008 1)CGH的设计， 根据被测透镜前后表面的曲率半径、 中心厚、 透镜的材质以及待测 透镜与CGH的间距， 得出CGH的各环带半径参数， 从而制作出CGH； 0009 2)背景波前的获取， 采用平面干涉仪， 多次测量CGH的0级波前， 取平均作为背景波 前； 。

11、0010 3)被测透镜与CGH的间距的获取， 采用平面干涉仪， 将被测透镜置于平面干涉仪的 标准平面镜与CGH之间， 多次测量透镜的波前， 同时测量透镜与CGH的间距， 将各透射波前减 去背景波前， 计算离焦量-间距的关系， 利用最小二乘法拟合得到最优间距； 0011 4)透镜焦距获取， 采用球面干涉仪， 先测量CGH的1级曲率半径， 然后根据CGH的曲 率半径以及被测透镜与CGH的间距， 得出被测透镜的焦距。 0012 优选的， 根据被测透镜的焦距， 设计第一级衍射曲率半径； 根据费马等光程原理， 计算CGH的位相分布。 0013 优选的， 制作出CGH的具体方法包括： 0014 从平面干涉。

12、仪出射的平行光经被测透镜、 CGH的所有光线的光程均相等， 即有 0015 n0|PQ|+n1|QM|+n0|MN|+(r)n0d1+n1d2+n0d3C (1) 说明书 1/4 页 4 CN 111256959 A 4 0016 其中， C为常数， (r)为CGH补偿的相位代表的光程差， |PQ|为P点与Q点之间的光 程， |QM|为Q点与M点之间的光程， |MN|为M点与N点之间的光程， n0为空气的折射率， n1为透镜 的折射率， d1为平面干涉仪的标准平面镜到透镜的距离， d2为透镜的厚度， d3为透镜后表面 到CGH的距离； 由此可得 0017 (r)n0d1+n1d2+n0d3-(。

13、n0|PQ|+n1|QM|+n0|MN|) (2) 0018 根据被测透镜前后表面的曲率半径、 中心厚、 透镜的材质以及待测透镜与CGH的间 距， 计算出CGH的各环带半径参数， 从而使用激光直写或离子束刻蚀方法制作CGH。 0019 优选的， 在CGH与平面干涉仪输出的准直平行光通过平面干涉仪端部的标准平面 镜时， 一部分准直平行光经标准平面镜反射形成标准参考光束， 另一部分准直平行光依次 透过标准平面镜、 被测透镜后， 被CGH反射并沿原路返回形成测试光束， 测试光束与标准参 考光束产生干涉条纹； 调节被测透镜与CGH之间的相对位置和姿态， 得到一组离焦量不同的 透射波前图， 从而获得透射。

14、波前。 0020 优选的， 被测距透镜放置于五维调节架上， CGH放置于二维调节架上， 进行被测透 镜与CGH之间的相对位置和姿态的调节。 0021 优选的， 通过球面干涉仪的干涉条纹判读来精确确定猫眼和共焦两点位置， 并测 得这两点之间的距离来得到曲率半径。 0022 优选的， 针对检测透射波前设计的CGH， 在曲率半径标定时， 采用高衍射级次光。 0023 优选的， 测量得到的猫眼与共焦两点位置间的间距， 为CGH的n级衍射级次的曲率 半径Rn； 1级曲率半径RnRn； 被测长焦距透镜的焦距f与CGH的1级曲率半径R满足关系： f R+ ， 其中 为CGH与透镜之间的间距。 0024 本发。

15、明的有益效果在于： 0025 本发明的检测装置中， 平面干涉仪、 被测透镜和CGH均置于同一块隔振平台， 组成 共光轴检测系统， CGH可补偿被测距透镜的像差， 因而无需在检测装置中引入补偿镜等其它 辅助元件， 为透镜透射波前的测量提供了一种简便精确的方法， 检测方法简单， 易操作， 并 且采用该检测方法对长焦距透镜进行透射波前检测的检测精度较高。 0026 CGH等价于凸面反射镜， 其曲率中心与被测距透镜焦点重合， 曲率半径R与焦距f满 足关系fR+ ， 使得无论被测透镜的焦距f多大， 通过合理设计CGH可使得间距检测光路小 于1米， 最大程度降低气流、 振动等环境扰动的影响， 提高检测精度。

16、， 能够实现长焦透镜焦距 的高精度检测， 缩短了整体检测光路长度， 提升了抗环境干扰能力。 附图说明 0027 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以根据 提供的附图获得其他的附图。 0028 图1附图为本发明CGH的结构示意图。 0029 图2附图为本发明测量CGH背景波前光路图。 0030 图3附图本发明测量透镜透射焦距原理示意图。 0031 图4附图为本发明CGH基底误差检测光路示意图。 。

17、说明书 2/4 页 5 CN 111256959 A 5 0032 其中， 图中， 0033 1-CGH； 2-透镜； 3-平面干涉仪； 4-球面干涉仪。 具体实施方式 0034 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。 0035 本发明提供了一种基于计算全息测量透镜焦距的方法， 包括如下步骤： 0036 1)CGH1的设计 0037 根据被测透镜2的焦距。

18、， 设计第一级衍射曲率半径(与焦距大小相当)， 被测透镜2 采用长焦距透镜， 使得干涉腔长缩短至适合检测操作； 其次， 根据费马等光程原理， 计算 CGH1的位相分布。 如图1所示， 从平面干涉仪3出射的平行光经被测透镜2、 CGH1的所有光线 的光程均相等， 即有 0038 n0|PQ|+n1|QM|+n0|MN|+(r)n0d1+n1d2+n0d3C (1) 0039 其中， C为常数， (r)为CGH1补偿的相位代表的光程差， |PQ|为P点与Q点之间的光 程， |QM|为Q点与M点之间的光程， |MN|为M点与N点之间的光程， n0为空气的折射率， n1为透镜 2的折射率， d1为平面。

19、干涉仪3的标准平面镜到透镜2的距离， d2为透镜2的厚度， d3为透镜2后 表面到CGH1的距离； 由此可得 0040 (r)n0d1+n1d2+n0d3-(n0|PQ|+n1|QM|+n0|MN|) (2) 0041 根据被测透镜2前后表面的曲率半径、 中心厚、 透镜的材质以及待测透镜2与CGH1 的间距， 使用光学设计软件计算出CGH1的各环带半径参数， 从而使用激光直写或离子束刻 蚀等方法制作CGH1。 其中透镜2后表面与CGH1的间距的确定原则是： 干涉腔长适合操作、 能 保证元件安全， 可最佳补偿光路像差。 0042 2)背景波前的获取 0043 如图2所示， 采用平面干涉仪， 多次。

20、测量CGH的0级波前， 该波前表征CGH1基底的平 整度， 取平均作为背景波前。 0044 3)被测透镜2与CGH1间距的获取 0045 参考附图3， 在CGH1与平面干涉仪3输出的准直平行光通过干涉仪端部的标准平面 镜时， 一部分准直平行光经标准平面镜反射形成标准参考光束， 另一部分准直平行光依次 透过标准平面镜、 被测长焦距透镜后， 被CGH1反射并沿原路返回形成测试光束， 测试光束与 标准参考光束产生干涉条纹。 调节被测透镜2与CGH1之间的相对位置和姿态， 得到一组离焦 量不同的透射波前图， 从而获得透射波前。 0046 其中， 被测长焦距透镜放置于五维调节架上， CGH1放置于二维调。

21、节架上， 进行被测 透镜与CGH1之间的相对位置和姿态的调节。 0047 将多次测量的各透射波前减去背景波前之差， 计算离焦量-间距的关系， 利用最小 二乘法拟合得到最优间距。 0048 4)透镜2焦距获取 0049 图4所示， 采用球面干涉仪4， 通过干涉条纹判读来精确确定猫眼和共焦两点位置 说明书 3/4 页 6 CN 111256959 A 6 (即0条纹位置)， 并测得这两点之间的距离来得到CGH1的曲率半径。 针对检测长焦距透射波 前设计的CGH1， 在曲率半径标定时， 采用高衍射级次光， 可有效缩短光路， 降低检测难度， 同 时提高检测精度。 0050 高衍射级次n的选择应遵循两个。

22、原则： (1)测量光路尽可能短： (2)衍射效率足够， 可发生有效干涉。 此时测量得到的猫眼位置与0条纹位置间的间距即为CGH1的n级衍射级次 的曲率半径Rn， 1级曲率半径RnRn。 0051 被测长焦距透镜的焦距f与CGH1的1级曲率半径R满足关系： fR+ ， 其中 为CGH1 与透镜2之间的间距。 0052 其中， 各距离的测量可采用光栅尺或者镜面定位仪等高精度测量设备。 0053 本发明的检测装置中， 平面干涉仪、 被测透镜和CGH均置于同一块隔振平台， 组成 共光轴检测系统， CGH可补偿被测距透镜的像差， 因而无需在检测装置中引入补偿镜等其它 辅助元件， 为距透镜透射波前的测量提。

23、供了一种简便精确的方法， 检测方法简单， 易操作， 并且采用该检测方法对长焦距透镜进行透射波前检测的检测精度较高； 根据被测透镜的焦 距、 像差等参数， 通过合理设计补偿理论设计的像差， 使得参考光束与待测透镜波前精确匹 配， 进一步提高了焦距测量的精度； 通过背景波前的扣除， 进一步提高了焦距测量的精度和 测量重复性。 0054 CGH等价于凸面反射镜， 其曲率中心与被测距透镜焦点重合， 曲率半径R与焦距f满 足关系fR+ ， 使得无论被测透镜的焦距f多大， 通过合理设计CGH可使得间距检测光路小 于1米， 最大程度降低气流、 振动等环境扰动的影响， 提高检测精度， 能够实现长焦透镜焦距 的。

24、高精度检测， 缩短了整体检测光路长度， 提升了抗环境干扰能力， 对长焦距透镜焦距检 测， 可回避测量光路长， 环境振动导致透射波前测量精度低的难点。 0055 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述， 每个实施例重点说明的都是与其他 实施例的不同之处， 各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。 对于实施例公开的装置 而言， 由于其与实施例公开的方法相对应， 所以描述的比较简单， 相关之处参见方法部分说 明即可。 0056 对所公开的实施例的上述说明， 使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的， 本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。 因此， 本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。 说明书 4/4 页 7 CN 111256959 A 7 图1 图2 说明书附图 1/2 页 8 CN 111256959 A 8 图3 图4 说明书附图 2/2 页 9 CN 111256959 A 9 。