光学测试第一章4节.ppt

第一章基本光学测量技术,第三节焦距和顶焦距的测量,3 焦距和顶焦距的测量,由于科学技术的相互渗透，现代光学仪器已是光、机、电的装置，而透镜作为光学仪器的基本单元，组成各种物镜和光学系统，不仅用于目视成像系统，而且在光电、电视摄像、遥感等诸多技术中，已作为图像或能量的转换器广泛使用。转换过程的放大、聚焦作用，主要取决于光学系统的焦距。光学系统和透镜的重要参数-焦距迄今已有多种行之有效的测量方法。以几何光学成像理论为基础的测量方法：,3 焦距和顶焦距的测量,以几何光学成像理论为基础的测量方法：1、放大率法-是以几何光学原理为基础的最基本的测量焦距和顶焦距的方法。2、自准直法和附加透镜法-为了提高测量正负透镜顶焦距和焦距的精度。3、精密测角法-当对较大口径光学系统或透镜的焦距要求很准确。4、附加接筒法-对于短焦距（如显微物镜的焦距）。5、固定共轭距离法、附加已知焦距透镜法、反转法有时也会用到。,3 焦距和顶焦距的测量,基于物理光学原理的一些测量焦距的新方法。1、光栅法测量透镜焦距。2、激光散斑法测量透镜焦距。3、莫尔条纹同向法测量透镜焦距。本节中主要介绍放大率法测量焦距和顶焦距，这是目前在生产中最常用的测量透镜焦距的方法，因为它可以在光具座上实现，所需设备简单，测量操作比较方便，测量准确度较高。另外还将介绍一种现代光学研究中常用的光栅法测量透镜焦距，这是方法可在全息和信息处理实验装置上测量焦距，而且具有较高的准确度。,3 焦距和顶焦距的测量,不管采用那种方法，为了达到预期的测量精度，都要注意以下几点：（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合透镜，若工作时是它的正透镜对向无限远物体，测量时就应使它的正透镜对向平行光管或前置镜。如果反了，就会像差增大而影响测量结果。,3 焦距和顶焦距的测量,（5）测量焦距时所用的分划板往往刻有成对的刻线，安置分划板时，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，而且有无视差。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,放大率法是目前最常用的方法，这种方法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。（一）测量原理被测透镜位于平行光管物镜前，平行光管物镜焦面上的分划板的一对刻线就成像在被测物镜的焦面上。这一对刻线的间距 和它的像的间距 与平行光管物镜焦距 和被测透镜焦距 的关系：而：,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,所以：式中 和 是可以预先准确测定的。只要测出刻线像的间距 再乘以已知系数，即可得到被测透镜焦距。,平行光管物镜,被测物镜,显微镜,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,负透镜焦距的测量，其光路如图所示，焦距计算公式为：注意：由于负透镜成虚像，用测量显微镜观测这个像时，显微镜的工作距离必须大于负透镜的焦距，否则看不到刻线像。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（二）用GXY-08A型光具座测量的测试技术以焦距210mm、相对孔径1/4.5的照相物镜为例说明其主要测试技术。照相物镜装在透镜夹持架上，它工作时的物方对向平行光管，并注意不要使其光轴倾斜。平行光管用玻罗分划板，它上面的4对刻线的间距分别为30mm、12mm、6mm、3mm。调好它的伸缩筒的零位。根据被测物镜焦距的名义值210mm（也可以是粗略估计值）可知最外一对刻线在被测物镜焦面上的间距约为5mm，小于目镜测微器的测量范围，因此测量显微镜可以选用 显微物镜，其工作距离约为190mm。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（二）用GXY-08A型光具座测量的测试技术轴向移动透镜夹持器，用一张描图纸承接被测物镜焦面上的刻线像，当清晰的像距离显微物镜约190mm时，固紧夹持器底座，在用显微镜对刻线像小量调焦，以看到清晰无视差的刻线像为准，这时显微镜已调焦在被测物镜的后焦面上。上下和横向移动显微镜使刻线像成像在视场中央，再绕自身光轴转动显微镜，使目镜测微器活动分划板的竖线与刻线像平行。用目镜测微器测出某对刻线像的间距，即可计算出被测物镜的焦距。,0,5,15,10,20,25,30,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（二）用GXY-08A型光具座测量的测试技术轴向移动显微物镜到调焦在照相物镜最后一个表面的顶点上（即清晰看见透镜最后一个表面上的灰尘和脏点），移动的距离即为照相物镜的后顶焦距。将镜头调转180，用与测后顶焦距相同的方法测出前顶焦距。为了简化焦距的计算，要求目镜测微器测 时得到的读数再乘以整数，就等于被测焦距值，为此，需要合理选择光具座的一些参数，因为GXY-08A型光具座的目镜测微器的读数为实际的4倍，所以当测某对刻线像的间距 得到读数为D时，设显微物镜的垂轴放大率为，则。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（二）用GXY-08A型光具座测量的测试技术代入式（1-29），得到被测焦距与D的关系式为：式中 为仪器常数，以 表示，于是得：要使 等于整数，必须使 为 的整数倍。表1-2给出GXY-08A型光具座（）的六种放大率 和4对刻线间距 对应的 值。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（二）用GXY-08A型光具座测量的测试技术被测正透镜的焦距最大值受仪器导轨长度的限制；负透镜焦距的最大值则受显微镜工作距离的限制。表1-2所列的焦距测量范围是根据导轨长度只有2m，显微镜的工作距离随 的增大而迅速减小，以及D值太小会影响测量精度（通常令D在2.5-24范围内）这样一些限制条件确定的。能测顶焦距的最大值也大致与表中所列举的焦距最大值相同。由于被测透镜球差的影响，全口径对应的最佳像点位置一般不与近轴焦点重合，因此，应尽量测量被测透镜全口径工作时的焦距。为此除要求平行光管口径大于被测透镜有效口径外，还要求测量显微镜的数值孔径大于或等于被测透镜相对孔径的一半（即被测透镜轴上点成像光束全部进入显微镜成像）。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（二）用GXY-08A型光具座测量的测试技术例如测量 的照相物镜最大相对孔径的焦距时，应选用 显微物镜（）；若测量 时的焦距，勉强可以选 显微物镜（），最好选 显微物镜。用 物镜分别测照相物镜相对孔径 和 时的焦距，各测5次取平均值得 和，二者相差，从中可以看出被测物镜像差的影响。上述对显微物镜数值孔径的要求，在测量负透镜时，往往是做不到的。这时测得的焦距值常常接近它的近轴焦距。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（三）测量不确定度由于测量误差的存在，被测量值中有不能肯定的成分。由式（1-31），利用间接测量误差的传播关系式可得用相对标准不确定度表示的焦距测量不确定度为：式中：分别为 的标准不确定度。需要说明：实际平行光管焦距不可能正好等于1200mm，为了保证保持仪器常数 为表1-2所示的整数，一般用改变显微物镜到目镜测微器的距离，即改变显微物镜的放大率 来达到。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（三）测量不确定度根据精确测出的平行光管焦距值，定出保持 不变所需的放大率，我们用一根标准尺（刻度值标准不确定度0.001mm）放在显微镜的物平面上校正放大率，由于把显微物镜与目镜测微器一起进行 的校正，这同时也校正了测微器的读数误差，所以式（1-33）中使用综合不确定度。平行光管焦距的相对标准不确定度可达；仪器的分划板刻线间距的标准不确定度；考虑到对准误差和估读误差，取。由于用标准尺进行放大率 和测微器读数误差的综合校正，故取,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（三）测量不确定度被测焦距 和 为例，求当 时，取，得应用式（1-33）得：当 时，则得：以上计算说明，GXY-08A型光具座测量焦距的相对标准不确定度不超过。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（三）测量不确定度上面的误差分析是在被测透镜像质良好，并且相对孔径不太小的情况下得到的。否则，误差就要增大。例如，测量焦距 的负透镜的焦距时，若采用 显微物镜，由于数值孔径很小（），调焦不确定度达，仅此产生的焦距测量不确定度就会达到。又因放大率小，读数D就小，增加，所以负透镜的焦距测量不确定度一般大于正透镜的不确定度，可达到。像质对测量结果的影响难于定量估计，但如果像质较差，测量不确定度将远远大于。,3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法,（三）测量不确定度测量顶焦距的不确定度包括显微镜的位置读数误差（顶焦距小于250mm时不确定度0.1mm，大于250mm时可达0.3mm）和显微镜的两次调焦不确定度。测量正透镜的顶焦距（只用、显微物镜），不确定度为0.1-0.4mm；测量负透镜时（用、显微物镜），测量不确定度约为0.1-1.5mm。,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,全息光学和光学信息处理是近二十年发展很快的领域。傅里叶变换透镜是空间滤波和光学信息处理系统中的基本部件，焦距是傅里叶变换透镜的主要光学参数之一，其焦距的测量也是人们普遍关注的问题，这里介绍一种简便、准确度较高、便于智能化测量的方法-光栅法。（一）测量原理由透镜的傅里叶变换性质可知，衍射物体放在 平面上，其透过率函数为，当用单色平面波垂直照射时，在后焦面 平面上复振幅分布为：,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,式中 为常数；为 的频谱；其光强分布 可表示为：,单色平面波,菲涅尔衍射区,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,测量焦距时，选用朗奇光栅作为衍射物，将朗奇光栅放在输入面，用单色平面光波照射，其透过率函数可写为：式中：,光栅缝宽,光栅常数,光栅总宽度,单色平面波,菲涅尔衍射区,菲涅尔衍射区,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,其频谱为：面上的光强分布可近似写为：有由式（1-35）可以看出，谱点间距大小由 决定。当 为最大值时,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,当 为最大值时当 时，设谱点间距为X，则得：故：在光栅常数b已知后，测出谱点间距X，即可求出波长为 时的透镜焦距。或者测出m级谱点的坐标，代入式（1-37）求出 值，在测量傅里叶变换透镜则有：,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,（二）测量装置及方法测量装置如图所示，采用He-Ne激光器产生波长为0.6328m的单色平面波，朗奇光栅为50线、mm，CCD采用2048位线阵固体摄像器件，当CCD驱动电源工作频率为244kHz时，每秒钟可取样100次，可采用PC-XT计算机，监视器为一般示波器。首先将P平面精确调节在透镜的后焦面上，P屏是半透明体，激光可以透射；,监视器,微 机,打印机,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,（二）测量装置及方法在测量P平面上的谱点间距之前，先给CCD摄像系统定标，即线对P屏上的标准黑白条纹进行测量，该条纹的间距是已知的，通过测量计算出CCD每个像素所代表的长度，它是系统的定标常数。在CCD摄像系统的物距、像距、光圈均不变的情况下，测量P屏上所透射的谱点间距占据的像素数，再与定标常数相乘，即得谱点间距的实际长度。代入式（1-36）或（1-37），即可求出 值。表1-3为对国产的FJ-300型傅里叶变换透镜进行测量的结果。,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,（三）实际测量中的有关技术1.频谱面的精确定位频谱面的精确定位是这种方法的关键技术，对测量的不确定度、测量的稳定性和重复性均至关重要。由原理图可见，只有像P屏准确调整到透镜的后焦面时，式（1-34）中的 才是稳定不变的，若P平面调整在焦面之前或之后均是菲涅尔衍射。因此，频谱面要求精确定位，其方法是前后移动朗奇光栅，改变 大小，当 减小时，若频谱展宽，说明P屏至透镜主平面的距离大于，若频谱压缩，则说明P平面至透镜主平面的距离小于。反之当 增大，若频谱展宽，则说明该距离小于；若频谱压缩，则说明该距离大于。,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,（三）实际测量中的有关技术只有当P平面被调到透镜的后焦面时，无论 增大或减小，P平面上光强分布均稳定不变，这时的P平面就是频谱面。实际测量中可以借助其它辅助的定焦方式来精确地确定透镜的焦面。2.高斯光束的影响由于基模He-Ne激光是高斯光束，其光强分布和发散角均是轴对称的，照射光栅后，经过透镜的变换作用，在后焦面上与光栅频谱作卷积运算，使谱点对称展宽与平滑，不改变谱点的中心位置。由于发散角很小，其展宽量约为谱点间距的1%，因此，测量时只要注意取谱点中心位置，对谱点的测量不确定度影响极小。,3 焦距和顶焦距的测量二、光栅法测量傅里叶变换透镜的焦距,（四）误差分析测量准确度与朗奇光栅误差、定标误差、谱点间距测量误差以及谱面定位准确度有关，朗奇光栅常数的相对不确定用工具显微镜测得为0.05%；定标误差包含定标黑白条纹误差和定标测量过程中引入的随机不确定度，经测量约为0.10%。为了减少谱点间距测量误差，可充分利用CCD的长度，测量多个谱点间距，然后用最小二乘法求出谱点间距的平均值，的相对不确定度小于0.10%；谱面定位相对不确定度不难达0.25%。应用方和根综合上述各项不确定度，可得测量傅里叶变换透镜焦距不确定度为0.29%，与常用的放大率法的准确度相近。,第一章基本光学测量技术,第四节 星点检验,4 星点检验 一、原理,对非相干照明物体，成像光学系统的作用是把物面上的光强分布转换为像面上的光强分布，由于衍射、像差和各种工艺疵病等原因，物、象分布不可能完全一致，为了评定系统的成像质量，并为改善像质提供必要的信息，需要定量地描述系统的成像情况。为此必须选择有代表性的物体，通过描述它们像的全部特征来反映系统的像质。星点（发光点）就是一种非常好的“代表性物体”，因为任意的物分布都可以看成是无数个具有不同强度的、独立的发光点的集合；星点像的光强分布规律比较容易描述；任意物的像就是这无数个星点像的集合。就是说，星点像的光强分布函数就决定了该系统的成像质量。,4 星点检验 一、原理,从近代物理光学理论来说，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（星点物）图样，这些基元对应的像方图样是容易知道，然后由这些基元的像方图样（星点像）线性叠加得出总的像方图样。从这一理论出发，我们称点状物为物方图样的基元即点基元。这里也可以理解为一个无限小的点光源物，例如小星点，故可以采用单位脉冲函数作为点基元，有如下数学关系：,4 星点检验 一、原理,因系统具有线性和空间不变性，可知有如下物像关系：式（1-39）表示了线性空间不变系统的一个成像系统，,物方图样,像方图样,物面坐标,像面坐标,物像的横向放大率,系统的点基元像分布即（u,v）处的一个点基元物（u,v）的像,点基元,4 星点检验 一、原理,该式表明：将任意物强度分布与该系统的点像分布卷积就得到了像强度分布，点物基元像的分布完全决定了系统的成像特性。只有当点物基元像分布仍为函数时，物像之间才严格保证点对应点的关系。实际上每一个发光点物基元通过光学系统后，由于衍射和像差以及生产工艺疵病的影响，绝对的点对应点的成像关系是不存在的，因此卷积的结果，是对原物强度分布起了平滑作用，从而造成点物基元经系统成像后的失真。,4 星点检验 一、原理,因此采用点物基元描述成像过程，其实质是一个卷积过程，通过考察光学系统对一个点物基元的成像质量就可以了解和评定光学系统对任意物分布的成像质量，这就是星点检验的基本思想。-通俗的说，通过考察一个发光点（星点）经光学系统后的像的光强分布，就可以了解和评定光学系统的成像质量。这就是星点检验的基本依据。可以说，星点检验法是检验成像光学系统质量的方法中最基本、最简单的一种方法。实际上，星点的单色像的光强分布，也就是通常所说的点扩展函数，结构是非常复杂的。要想根据点扩展函数来估算像差，一般说是不可能的。,4 星点检验 一、原理,对于小像差系统，可以根据星点像的衍射结构来估计处像差的类型和数量。要想从星点检验中获取更多的信息，得到更多的结果，需要有丰富的经验。对初学者来说，获得经验的方法是以许多已知像差或误差（指玻璃熔炼、光光学装配校正等工艺过程中产生的误差，又称工艺疵病）的性质和大小的星点图，最好是仅存在一种像差或误差的星点图，以及与各种星点图对应的实物作为训练器材，通过对这些典型星点图的实际观察、分析、对比来加快获得经验的过程。,4 星点检验二、衍射受限系统星点像的光强分布,对一个物像差衍射受限系统来说，其光瞳函数是一个实函数，而且在光瞳范围内是一个常数，因此衍射像的光强分布仅仅取决于光瞳的形状。在一般圆形光瞳的情况下，衍射受限系统的星点像的光强分布函数就是圆孔函数的傅里叶变换的模的平方，即艾里斑光强分布式中：,4 星点检验二、衍射受限系统星点像的光强分布,上式所代表的几何图形及各个量的物理意义如图所示。图1-22为艾里斑的三维光强分布及其放大局部图；表1-4为艾里斑个极值点的数据。至于焦面附近前后不同截面上的光强分布，也可以通过类似的计算求出。图1-23为子午面内等光强度线；图1-24为焦点前后不同截面上的星点图。由图1-23和1-24可以看出，一个具有圆形光瞳的衍射受限系统，不仅在焦面内应具有全对称的艾里斑分布规律，而且在交点前后也应有对称的光强分布。,4 星点检验二、衍射受限系统星点像的光强分布,光瞳的形状不同，理想星点像的光强分布也不同。圆环形光瞳对应的理想星点像的光强分布为：图1-25为具有不同开口比 时焦平面内的光强分布曲线；图1-26为其三维光强分布图。,环形孔的内外两个同心圆的半径之比,4 星点检验二、衍射受限系统星点像的光强分布,矩形光瞳的在焦平面内的理想星点像光强分布公式：式中 为矩孔的长宽。,4 星点检验 三、检验条件,在光具座上做星点检验时，仪器应满足两个主要要求：一是平行光管焦面上星点光阑的的直径；二是观察显微镜的数值孔径的合理选择，并有合适的放大率，以便眼睛能分辨细节。（一）星孔直径如图所示是光具座上作物镜星点检验的原理图：,被检系统,平行光管,显微镜,4 星点检验 三、检验条件,为了保证星点像具有足够的亮度和对比度，以便看清星点像的细节，除要求照明光源具有足够的亮度外，还需对被照星孔的尺寸加以限制。因为当星孔有一定大小时，星孔上每一点发出的光在备件物镜的焦面上都会形成一个独立的衍射斑，我们观察到的星点像实际上是无数多个彼此错位的衍射斑的叠加。如果星孔大于某个数值，各衍射斑的彼此错位量超过一定限度，星点像的衍射环细节将随之消失。,被检系统,平行光管,显微镜,4 星点检验 三、检验条件,根据衍射环宽度所作的理论估算和实验表明，星孔允许的最大角直径应等于被检系统艾里斑第一暗环的角半径 的二分之一，如图所示，即,被检系统,平行光管物镜,显微镜工作距离,4 星点检验 三、检验条件,有表1-4查得所以式中，D为被检物镜的入瞳直径；为照明光源的波长；如用白光则取。因为星孔板放在焦距为 的平行光管物镜的焦面处，所以星孔的最大允许直径为：例如：,4 星点检验 三、检验条件,（二）观察显微镜的数值孔径和放大率星点像非细小，需借助显微镜（检验物镜时）或望远镜（检验望远系统时）放大后进行观察。在用显微镜观察时，除了应注意显微镜的像质外，还应注意合理选择显微物镜的数值孔径和放大率。为了保证被检物镜的出射光束能全部进入观察显微镜，显然应保证显物镜的物方最大孔径角 大于或等于被检物镜的像方孔径角，如图1-28所示，否则由于显微物镜的入瞳切割部分光线无形中减小了被测物镜的通光口径，得到的是较小口径的检验结果，即得到不符实际的检验结果。,4 星点检验 三、检验条件,在实际工作中这时容易被忽略的。为保证孔径的要求，可根据被检物镜的相对孔径 按表1-5选用显微物镜的数值孔径。表1-5 根据相对孔径 选择数值孔径NA显微镜的放大率选择以人眼观察时能否分开星点像的第一、二衍射亮环为准，有表1-4可查得第一与第二衍射亮环的角间距为：,4 星点检验 三、检验条件,被测物镜焦面上对应的线距离为经显微镜放大后两衍射环的角距离为 时人眼就能分辨，即因为显微镜的总放大率所以：,4 星点检验 三、检验条件,如果取 则上式简化为：当显微物镜的数值孔径选定后，其垂轴放大率也应满足公式（1-49)的要求。(三）其它在光具座上对望远系统作星点检验时，需用前置镜（望远镜）代替显微镜进行放大观察，这时除对前置镜的像质有要求外，还要求其入瞳直径大于或等于被检望远镜的出瞳直径，放大率应能满足人眼分辨星点像细节的要求。,4 星点检验 三、检验条件,根据与选择显微镜放大率类似的考虑，可得选择前置镜放大率的公式为：当取；以（）为单位；（被检望远镜的出瞳直径）以mm为单位时，上式可改写为以下简单形式：若取 时，可得，若 则不必加前置镜，可在被检望远镜后直接观察。,被检系统,平行光管,前置镜镜,4 星点检验,此外，在星点检验时应注意被检系统的光轴与平行光管光轴间的相对角度关系，尤其是检验轴上星点像时，应保证两者轴线准确一致，否则会得出错误的检验结果。为了发现和避免这种情况，检验时可使被检系统在夹持器内绕自身轴线转动，如果星点像的疵病方位也随之转动，则表明疵病确实是被检系统本身固有的；若星点像的疵病方位不变，则表明被检系统的装夹有倾斜，或检验装置本身有缺陷，应排除后才能使用。根据星点像判断光学系统的像质优劣，尤其是进一步“诊断”光学系统存在的主要像差性质和疵病种类，以及造成这些缺陷的原因，这在光学仪器生产实践中具有重要意义。,4 星点检验,但要能对星点检验结果作出准确可靠的分析、判断，不仅要掌握星点检验的基本理论，还要有丰富的实践经验，尽管星点检验法必须依靠经验，但由于该方法所用设备简单、灵敏度高以及检测结果可靠，还有一个大家熟悉的衍射受限系统的星点像（光瞳形状是圆孔时则为艾里斑）作为最高的（或理想的）标准，因此，对于小像差及小误差的成像系统，星点检验法仍是一种很好的方法。,