1 绪论

1.1 研究背景和意义

    焦距是光学系统中十分重要的一种光学特性参数，如果要对光学系统的特性进行较精确的测量，焦距是一个必须非常精确的量。焦距测量的精确性会直接影响光学系统中每个部件的正常使用及整体性能的正常发挥[1]。光学系统装调过程中，系统的放大倍率、像面位置等均与光学元件的焦距相关，这将影响到整个光学系统的功能是否能完全实现。

下面将举一些例子来说明焦距对于光学系统的重要性。比如大型的相机，只有在成像的光学系统分辨力满足了衍射极限的标准后，该相机系统才能实现预期要求的分辨能力[2]。但是经常发生的事情是，在对地面进行拍摄时，相机和目标是在相对的运动状态下的，并且很可能处于一种高速的运动状态，此时拍摄一定会发生移像，从而影响系统正常功能的实现，为了减少或是消除这种移像对结果的影响，只有进行补偿，但是如果我们对移像进行补偿，就必须准确的知道相机的焦距，如果相机的焦距不能准确的知道，那么我们就不能良好的对移像进行补偿了。大口径、长焦距反射镜是天文光学系统、空间遥感相机等大型光学系统中广泛使用的光学元件，因此对于这些元件必须进行有效的参数检测。由于此类元件口径大(几米)，焦距长(从几米到几十米)，空气扰动等干扰因素严重影响测试的精度，同时由于球面特别是非球面加工的误差会严重影响焦距值，因此，对大口径、长焦距光学元件焦距的测定以及焦点的定位，将直接影响光学系统的安装和技术性能的充分发挥。著名的哈勃空间望远镜，在火箭发射升空后，工作人员才发现检验镜的位置有1.3mm的误差，这小小的误差使得3主镜聚焦系统模糊而导致整个项目不能如预期进行。为此，NSAS对望远镜整整使用了五天时间的太空修复，在这个过程中仅修理费就达到了2.5亿美元[3]。试想，如果在发射之前NASA就能对整个系统进行一次严格的检测就能避免这一情况的发生。在大口径光学系统中，例如我国的神光III系统，仅400mm × 500mm以上的各种类型口径的光学元件就达到了8000件，其中仅是用于聚焦和空间滤波的长焦距系统就有1000件。因此，针对这些大口径长焦距系统必须有快速有效准确的检测方法[4]。但是大口径长焦距系统特有的诸如焦距长，口径大，空气扰动等一些客观存在的干扰因素，会在很大程度上影响测试的准确度，同时由于球面尤其是非球面的加工误差也在一定程度上会对焦距的最终结果产生影响，因此说，高功率激光系统，长焦距、大口径光学系统的焦距测量以及该系统的焦点定位，都将对空间滤波效果、激光系统的装配产生影响。

.3 本文研究内容文献综述

对透镜焦距的测量已经有了非常长的历史，现在已知的测量方法非常多。但是对于焦距值在几米或者十几米甚至几十米的透镜，而且是大口径的透镜—其应用的领域都比较特殊，主要是应用在天文观测仪器以及激光核聚变这类超大型的光学系统中—就如何对其焦距进行精确的测量方面的问题，国内外相关的报道非常少。本课题通过对Talbot效应和Moiré条纹技术的原理的研究后，提出了采用Ronchi光栅Talbot效应结合起来的测量方法。这种方法专门针对长焦距大口径透镜的焦距进行测量的。

    本文研究了光学元件的焦距的测量方法及技术，在实验室内部建立长焦距的测量校准装置。研究内容包括：

（1）Talbot-Moiré法测量长焦距的原理方法

研究球面波入射至光栅时的Talbot成像理论问题，以及利用Moiré条纹技术的焦距测量理论问题。