泰伯-莫尔法测量长焦距系统的焦距

    1　引　言

    在激光核聚变驱动器、天文光学系统等领域,长焦距系统都有重要的应用价值。其焦距的测量方法很多,由于光具座的长度限制,普通方法测量比较困难,精度也不高。泰伯—莫尔法测量精度较高,尤其适用于长焦系统的焦距测量。用光照射周期性物体,在一定的距离上产生泰伯像(d=kp2/λ,p是光栅周期,λ为入射单色光的波长,k为正整数),在泰伯像处放置同样的周期性物体会产生莫尔条纹;放入长焦系统之后,莫尔条纹发生变化,可对变化前后的条纹进行研究以得出焦距值,也可调整光学系统使变化了的莫尔条纹恢复,测量和计算调整值来得出焦距值。通过对大量文献的研究可知,基于透镜放置位置的不同,可将泰伯—莫尔法分为透镜前置和透镜后置两类。

    2　透镜前置测量焦距

    如图1所示[1],被测透镜放入前,光栅G1在G2处形成其泰伯像G1′,G1′与G2基准栅重叠在屏上得到转角莫尔条纹。明条纹(或暗条纹)与y轴夹角为θ/2,条纹间距s由光栅节距p和两栅线的夹角θ所决定(s=p/[2sin(θ/2)]);被测透镜放入后,在紧靠G1处放入待测透镜L,焦距为f′,令其主光轴与准直系统主光轴重合,条纹发生偏折,φ为条纹转角。透镜的焦距为f′=l+(sd/p)tgφ,l是L与G1的距离。

    2·1　莫尔条纹分析法(使用朗奇光栅)

    θ、d、p、s均可测量,测出φ就可得f′。可直接测量所获图样上莫尔条纹偏折角和间距;若偏折角很小不易测量,则将角度测量转化为条纹上的长度测量。通常使用CCD采集放大,对图样数字化后存入计算机进行计算的方法。要求透镜与其后的光栅的距离l尽可能小,且应选择恰当栅距的光栅。

    2·2　CCD采集莫尔条纹图样的数字化分析法

    通过成像镜头,对CCD上得到的条纹图像进行傅里叶变换,得到频谱图。可看到有成对出现的远离图像中心(零频)的亮点,即莫尔条纹对应的频谱。对该频谱做高通滤波,提取出某个象限的亮点的坐标,求出该点与纵坐标的角度(莫尔条纹角度φ)。本方案测量精度很高,不必调整两个光栅的间距,只需在光栅前放入待测长焦距透镜,即可计算出该透镜的焦距。

    2·3　同心环形光栅莫尔条纹或光闸莫尔条纹法

    采用同心环形光栅莫尔条纹[2]或者光闸莫尔条纹[3],可克服直线型光栅需要把待测物体或光栅绕光轴旋转,以获得莫尔条纹最大移动(便于测角)的缺点。原因在于环形莫尔条纹是用两个同心环形光栅在拍频时所产生的莫尔条纹,直接由条纹数便可测量焦距;同样,在两个完全相同的长光栅相互平行时(即光栅的0号栅线之间的夹角为零),也可对光闸莫尔条纹进行记数来测量长焦系统的焦距。