【摘 要】
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焦距5至80米的中等焦距光学元件和光学系统广泛应用在高能激光可控核聚变、空间光学系统以及天文观测光学系统中。由于中等焦距光学元件数值孔径小,检测过程容易受到空气扰动、振动等外界因素的影响。因此,中等焦距光学元件的焦距检测成为现阶段光学测量领域研究的热点和难点之一。本文研究基于单光栅Talbot效应的透镜焦距检测方法,以解决中等焦距光学元件焦距测量问题。本文在传统的Talbot效应及其焦距检测的原理
【基金项目】
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江苏省科技成果转化项目“1米以上口径超大平行光管的研发与产业化”项目的子项目——“基于莫尔条纹的数字化焦距检测系统”；
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焦距5至80米的中等焦距光学元件和光学系统广泛应用在高能激光可控核聚变、空间光学系统以及天文观测光学系统中。由于中等焦距光学元件数值孔径小,检测过程容易受到空气扰动、振动等外界因素的影响。因此,中等焦距光学元件的焦距检测成为现阶段光学测量领域研究的热点和难点之一。本文研究基于单光栅Talbot效应的透镜焦距检测方法,以解决中等焦距光学元件焦距测量问题。本文在传统的Talbot效应及其焦距检测的原理基础上,研究了受焦距值信息调制的物理量为光栅Talbot像的光栅常数,利用频域亚像素定位技术进行光栅Talbot像光栅常数的检测,并通过MATLAB仿真验证其方案可行性。然后对频域亚像素定位技术进行了研究,对比质心法、高斯曲面拟合法以及空间矩三种亚像素定位算法,选择质心为基础算法,对其进行优化改进,得到迭代质心定位算法;对迭代质心定位算法性能进行评估,分别模拟光栅Talbot像的噪声误差、初始相位误差以及倾角误差对算法定位结果的影响;确定迭代质心算法最佳解算区域的条纹数量为100至230,以及该区域内算法整体定位精度为0.02个像素。确定了焦距分段测量范围及其对应的参数选择,对系统进行了误差分析,分析畸变对焦距测量的影响;给出了简单测量畸变的方法,并在Zemax中仿真验证了该方法的可行性。搭建了焦距检测系统,选择两块焦距设计值分别为38059.52mm与59418.20mm的待测透镜进行系统精度测量实验,相对误差小于1%,相对标准偏差小于0.2%;进行稳定性验证实验,系统测量的稳定性优良。
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