第1章基本光学量的测试技术.

第一章基本光学量的测试技术2019/12/202§1-1焦距和顶焦距的测量关于光具座光具座的结构示意图平行光管透镜夹持器测量显微镜（前置镜）测微目镜导轨1.概述GXY－08A型光具座关于分划板平行光管的分划板形式多样玻罗(Porro)分划板形状如图所示。它上面刻有四组间隔不同的平行线，这四对平行线的间隔距离分别为：y01=3mm、y02＝6mm、y03＝12mm、y04＝30mm。刻线间隔的准确度要求是很高的，相对于实际要求值的标准不确定度为0.001mm。2019/12/204平行光管测量中的注意事项：1．平行光管、被测透镜和观测系统三者的光轴基本重合。2．通过被测透镜的光束尽可能充满被测透镜的有效孔径。观测系统也尽可能不切割被测透镜的成像光束。3．平行光管焦距最好为被测透镜焦距的2~5倍。4．测量时，最好按被测透镜实际工作状况安排测量光路。例如作望远物镜用的双胶透镜，若工作时它的正透镜对向无限远的物体，测量时就应使它的正透镜对向平行光管或前置镜。如果放反了，就会因像差增大而影响测量结果。2019/12/2055．测量焦距时所用的玻罗板往往刻有成对的刻线，安置玻罗板时，应使光轴通过这些成对刻线的对称中心。最外面一对刻线的间距应远小于平行光管的有效视场范围，否则轴外像差将严重影响测量结果。6．如果测量时观测系统的出瞳直径等于或大于2mm，则调焦时，不仅要成像清晰而且要无视差。2019/12/206目前最常用的方法，所需设备简单、测量范围较大、测量准确度较高而且操作简便。主要用于测量望远物镜、照相物镜和目镜的焦距和顶焦距，也可以用于生产中检验正、负透镜的焦距和顶焦距。2.放大率法tan'200fyf0′f′y0y′OLωω′ABB′A′放大率法测量原理图'tan'2'fy'2''200fyfy'''00yyff2019/12/207DCDykff000'111'1222202222000kyDffkyDff考虑到读数显微镜的参数，公式变为式中，β是所用显微物镜的倍率；k是测微目镜的测微丝杠螺距的倒数；D是测微目镜对的读数焦距合成标准不确定度2019/12/208'/0'0ff0yDkkB/%15.0001.06003.024005.0001.02222ff当f′=1200mm时，取β＝1×，y0=6mm，得D=24mm%24.0ff平行光管焦距的相对标准不确定度可达到=0.1%；仪器的分划板刻线间距的标准不确定度＝0.003mm；考虑到对准不确定度和估读不确定度，取≈0.005mm；由于用标准尺进行放大率β和测微器读数的综合校正，故≤0.1％。当f′=5mm时,β＝5×,y0＝30mm,D＝2.5mm,则以上计算结果说明，GXY－08A型光具座测量焦距的合成标准不确定度可以达到0.3％。2019/12/2093.附加透镜法fN′fP′附加透镜法原理图平行光管正透镜负透镜前置镜pNfyyf12'本方法主要用来测量负透镜的焦距：本方法的测量不确定度与放大率法相当，其主要来自正透镜焦距的不确定度的影响。2019/12/20104.精密测角法精密测角法测量原理图2ωf′刻线尺度盘被测物镜观察望远镜BA2y0tan0yf通过测出被测物镜所观察的两条刻线的夹角，再通过计算而求得被测物镜焦距。精密测角法测量焦距的相对不确定度可达0.1％。2019/12/20112ω2ωf′刻线尺度盘被测物镜观察望远镜BA2y0精密测角法测量装置图自准直高斯目镜平面反射镜关键技术：自准直定焦§1-2星点检验任何光学系统的作用都是为了给出一个符合要求的物体的像。光学系统的各种像差和误差都必然反映在这个像中。所以很自然地会想到，如果能直接通过物体的像来分析光学系统本身的缺陷，将是一个十分方便的方法。由近代物理光学知道，利用满足线性和空间不变性条件的系统的线性叠加特性，可以将任何物方图样分解为许多基元图样，这些基元图样对应的像方图样是容易知道的，然后由这些基元的像方图样线性叠加得出总的像方图样。通过考察一个点光源（即星点）经过光学系统后在像面前后不同截面上所成衍射像的光强分布，就可以定性地评定光学系统自身的像差和缺陷的影响，定性地评价光学系统成像质量，称之为星点检验法。1.星点检验的理论基础2019/12/2013位于无限远处的发光物点经过理想光学系统成像，在像平面上的光强分布已经研究得很清楚——符合物理光学中的夫朗和斐（Fraunhofer）衍射理论。如果光学系统的光瞳是圆孔，则所形成的星点像是夫朗和斐型圆孔衍射的结果，在像平面上点光源像的强度分布可以用下式表示：af′U′θ夫朗和斐圆孔衍射图——艾里斑2102)(2aJII2019/12/2014θI/I0光能分配(%)中央亮斑00183.78第一暗环1.220π=3.830.610λ/a00第一亮环1.635π=5.140.818λ/a0.01757.22第二暗环2.233π=7.021.116λ/a00第二亮环2.679π=8.421.339λ/a0.00422.77第三暗环3.238π=10.171.619λ/a00第三亮环3.699π=11.621.849λ/a0.00161.46第四暗环4.240π=13.322.120λ/a00第四亮环4.711π=14.802.356λ/a0.00080.86a22019/12/2015af′U′θ夫朗和斐圆孔衍射图——艾里斑星点像特点：中央是一个集中了大部分光能量的亮斑，周围围绕有一系列亮暗相间隔的圆环，并且亮环的光强度迅速降低，通常的星点检验中，除了看到中央亮斑外，往往只能看到周围一个或者两个衍射亮环;星点像的像平面附近前后距离相同的平面上所看到的衍射图案形状也是相同的。星点检验特点：非常灵敏的定性检验手段十分方便设备简单需要丰富的经验实际光学系统的光瞳形状并不总是圆孔形的，有时可能是矩形或者圆环形的。2019/12/20162．星点检验条件星点检验装置示意图光源星点孔平行光管物镜被检物镜观察显微镜星点像聚光镜导轨U′Umax星点检验的装置2019/12/2017Da61.0261.021max'61.0'00maxfDfd2.1星点孔的尺寸要求理论上星点尺寸应该要小到是一个几何点星点尺寸太大将使衍射像的亮暗衍射环的对比度下降；星点太小，亮度又小。理论估算和实验表明，在星点检验中，星点孔的直径对于被检光学系统前节点的张角α应小于理想星点衍射图案中第一衍射暗环所对应的衍射角θ。在实际装置中，为了能清晰地看到星点衍射像，通常把α＝θ/2作为计算时所要求的星点孔直径的条件。即应有2019/12/2018'/5.0tanfDUUUmaxmaxsinUnNA2.2观察显微镜物镜数值孔径的要求由于被测物镜的星点衍射像与它的孔径直接有关，所以在测量装置上必须保证经过被测系统的光束全部无阻挡地通过观察显微镜。从装置图中可看出，要求观察显微镜的物镜数值孔径必须足够大。也就是观察显微镜物镜所允许的物方孔径角U必须大于被检物镜检验时的像方孔径角U′。由于，而显微物镜有。为保证有，通常可以根据被检物镜的相对孔径来选用显微物镜的数值孔径，如表2.4。2019/12/2019fDfDfx042.1)636.1678.2()(12180603250ΔΓxfD21.02.3观察显微镜的放大率要求由于星点衍射像的尺寸非常小，必须借助于观察显微镜将衍射像放大。观察显微镜的放大率应保证衍射像的第一衍射亮环和第二衍射亮环经放大后对人眼的张角要大于人眼的鉴别率，通常这个张角应不小于3′。第一衍射亮环和第二衍射亮环在像平面上的间距为：人眼在明视距离处观察，经过显微镜将该视角放大到3′2019/12/20203.星点检验图像例不同球差时的星点像不同彗差时的星点像2019/12/2022§1-3分辨率测试技术分辨率测量的特点：所获得的有关被测系统像质的信息量不及星点检验多；发现像差和误差的灵敏度也不如星点检验高；分辨率能以确定的数值作为评价被测系统的像质的综合性指标——定量测量；并且不需要多少经验就能获得正确的分辨率值——客观性；对于有较大像差的光学系统，分辨率会随像差变化而有较明显的变化，因而能用分辨率区分大像差系统间的像质差异，这是星点检验法所不如的；分辨率测量装置几乎和星点检验一样简单。分辨率测量仍然是目前生产中检验一般成像光学系统质量的主要手段之一。2019/12/20231.衍射受限系统的分辨率σσσIminImaxa)b)c)两衍射斑中心距不同时的光强分布曲线和光强对比度σ三种判据的部分合光强分布曲线0.735（瑞利）1.118（斯派罗）1.013（道斯）1.0001.045理想系统的理论分辨率数值——对非相干光波，两个衍射光斑重叠部分的光强度为两光斑强度之和。2019/12/2024FDf22.1'22.10F02.10F947.00瑞利（Rayleigh）认为，当两衍射斑中心距正好等于第一暗环的半径时，人眼刚能分辨开这两个像点，这时两衍射斑的中心距为道斯（Dawes）判据认为，人眼刚能分辨两个衍射像点的最小中心距为斯派罗（Sparrow）判据认为，当两个衍射斑之间的合光强刚好不出现下凹时为刚可分辨的极限情况，两衍射斑之间的最小中心距为2019/12/2025fa001N0实际工作中，由于光学系统的种类不同，用途不同，分辨率的具体表示形式也不同：显微系统则直接以刚能分辨开的两物点间的距离表示分辨率望远系统，由于物体位于无限远，所以用角距离表示刚能分辨的两点间的最小距离，即以望远物镜后焦面上两衍射斑的中心距对物镜后主点的张角a表示照相系统以像面上刚能分辨的两衍射斑中心距的倒数表示分辨率2019/12/2026瑞利判据道斯判据斯派罗判据望远（rad）照相（mm-1）显微（mm）D22.1D02.1D947.0F22.11F02.11F947.01NA61.0NA51.0NA47.0不同类型的光学系统按不同判据计算出的理论分辨率见下表其中D为入瞳直径（mm）；NA为数值孔径；应用白光照明时，取光波长λ＝0.55×10-3mm以上讨论的各类光学系统的分辨率公式都只适用于视场中心的情况。2019/12/202733coscos11NNttcoscos11NNss100806004020204060ωNt/N,Ns/N(%)Ns/NNt/N理论分辨率随视场ω变化的曲线对照相系统，由于视场通常较大，除考察视场中心的分辨率外还应考察中心以外视场的分辨率。经过推导照相系统轴外分辨率为:2019/12/20282.分辨率测试方法2.1分辨率图案要直接用人工方法获取两个非常靠近的非相干点光源作为检验光学系统分辨率的目标物是比较困难的，因此，通常采用由不同粗细的黑白线条组成的人工特制图案或实物标本作为目标来检验光学系统的分辨率。由于各类光学系统的用途不同，工作条件不同，要求不同，所以设计制作的分辨率图案在形式上也很不一样。2019/12/202994387.02/112q2.1分辨率图案ZBN35003-89国家专业标准图案例：线条宽度宽度P按等比级数规律依次递减P＝P0qn-1；P0＝160μm；；n＝1～85P84＝1.25μm分组将85种不同宽度的分辨率线条分成七组，通常称为1号到7号板，即A1~A7分辨率板。每号分辨率板包含有25种不同宽度的分辨率线条；相邻两号分辨率图案之间有一部分单元是彼此重复的；同一宽度的分辨率线条又按四个不同的方向排列构成一个“