光电测试技术-第3章-光学元件特性测试技术PPTX课件

1、光电测试技术Electro-optical Test TechniqueChapter3 Test Techniques of Optical Element Characteristics 本章主要内容光学材料特性测试 光学元件面型测试技术 微光学元件参数测试 自聚焦透镜参数测试2022/7/2443-1 光学材料特性测试 3-1 光学材料特性测试光学材料的特性在很大程度上影响光学系统性能和质量。折射光学材料：光学玻璃：无色光学玻璃有色光学玻璃特种光学玻璃乳白玻璃耐辐射玻璃隔热玻璃透气玻璃等光学晶体：红外材料非线性光学材料光学功能材料（如液晶）光学塑料2022/7/245反射介质材料: 主要

2、是选择刚性基板：金属（如铝、铍）；非金属（如光学玻璃、微晶玻璃）；复合材料（如Si、SiC）等。2022/7/2463-1 光学材料特性测试无色光学玻璃含7项质量指标：折射率nd及色散系数d对标准值的偏差；同批玻璃中折射率和色散系数的最大差值；光学均匀性；双折射；条纹度；气泡度；光吸收系数。1. 光学玻璃折射率的测量n(T , P , )棱镜法约为10-5 专用仪器2022/7/2473-1 光学材料特性测试1. 光学玻璃折射率的测量自准直法优于棱镜法重复性和效率2022/7/2483-1 光学材料特性测试1. 光学玻璃折射率的测量最小偏向角法精度最高具有测量精度高、被测折射率的大小不受限制、

3、不需要已知折射率的标准试件而能直接测出被测材料折射率等特点2022/7/2493-1 光学材料特性测试1. 光学材料折射率的测量全反射临界角法 n0n阿贝折射仪：可测量透明、半透明液体和固体2022/7/24103-1 光学材料特性测试2.色散系数的测量光学材料由于光的波长不同而引起折射率的变化的现象称为色散，色散系数计算式为：nd、nF、nc分别为波长等于587.6nm（氦黄）、486.1nm（氢蓝）和656.3nm（氢红）时的折射率。应用折射率测试方法，分别测出对应各种波长的材料的折射率，即可算出材料的色散系数和相对色散系数。2022/7/24113-1 光学材料特性测试3光学玻璃均匀性测

4、试干涉测量法不同部位透过率、折射率等性能变化情况称为光学均匀性。d为条纹的平均间距，k为偏离直条纹的弯曲量，t为被测样品厚度。2022/7/24123-1 光学材料特性测试4光学玻璃条纹度的测量条纹度表示玻璃中因折射率显著不同而造成的透明的、丝状的或层状的瑕疵程度，一般是由于条纹部分和玻璃本身的成分不同引起的。测量后的玻璃按照国家标准的规定进行条纹度的分类定级。2022/7/24133-2 光学元件面型测试技术2022/7/24141. 刀口阴影法检验1858年由傅科（Foucoult）提出，所以又称为傅科刀口法。当时是用于天文望远镜的大口径反射镜的检验。用于测量光学零件表面的面形偏差和光学系

5、统的波像差。通过波像差和几何像差的转换关系，也可测量光学系统的几何像差。优点：设备简单；非接触检验方法；有极高的直观灵敏度。实践表明，在一般观察条件下，观察者不难发现/20的波面局部误差和带区误差，但这是指垂直刀刃方向的灵敏度，平行刀刃方向的灵敏度为零。3-2 光学元件面型测试技术3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24151. 刀口阴影法检验1.1 理想球面波的阴影图及其变化规律对于理想球面，所有光线都会聚于球心O。如果观察者的眼睛位于球心O点附近，使所有会聚光线进入眼睛，可以看到一个均匀明亮的视场，其范围由被测件边缘所限制。当刀口自右向左移动切割光束时：当刀口正好位于光束会聚点O处（

6、位置N2），本来是均匀照亮的视场变暗了一些，但是亮度仍然是均匀的（阴影图M2）；当刀口位于光束交点的前面（图中N1处），暗区从右向左扩展（阴影图M1）；当刀口位于光束交点O之后(图中N3处)，暗区从左向右扩展（阴影图M3）。刀口阴影法原理N1N2N3M3M2M1M4ACBO2022/7/24161. 刀口阴影法检验1.1 理想球面波的阴影图及其变化规律刀口与光束会聚点的相对位置以及刀口横向移动时阴影图的变化可以概括为三个判断准则：阴影与刀口同方向移动，则刀口位于光束会聚点之前。如果这是局部区域的阴影图，则相对于刀口为中心的球面波而言，该区域是凸起的。阴影与刀口反方向移动，则刀口位于光束会聚点之

7、后。如果这是局部区域的阴影图，则相对于刀口为中心的球面波而言，该区域是凹陷的。阴影图某部位（全现场或局部）呈现均匀的半暗状态，则刀口正好位在该区域光束的交点处。3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24171. 刀口阴影法检验1.2 刀口阴影法的几何原理设x1oy1平面为理想波面W会聚的近轴平面，刀口的边缘线到主光线交点o的距离为r1，y1轴与刀口之间的夹角为l。刀口的边缘线可表示为 于是可得该平面上的透射比为y1x1r1o1在近轴平面上的刀口位置示意图3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24181. 刀口阴影法检验1.2 刀口阴影法的几何原理根据波象差W与在x1oy1面上的横向像差

8、的关系式把上式改写为 阴影图的形状决定于分界线：3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24191. 刀口阴影法检验1.2 刀口阴影法的几何原理例子：离焦误差其波像差为 阴影边界线为（直线） 设刀口平行于y轴， （平行y轴的直线）3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24201. 刀口阴影法检验1.2 刀口阴影法的几何原理例子：离焦误差当D0即刀口放在焦点以内时，若刀口从右向左切割光束，即随着r1减小，阴影线从右向左沿x轴平移（与刀口同方向）；当D0即刀口放在焦点以外时，刀口仍然从右向左切割光束，即随着r1减小，阴影线从左向右沿x轴平移（与刀口反方向）；当D=0即刀口放在焦点上时，阴影线

9、就不存在了，在刀口切割光束时，视场内是均匀的（亮变暗，过程较短）。当r10，即刀口与光轴接触时，这时不论D值的大小、正负如何，阴影图都正好是一半亮一半暗。 3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24211. 刀口阴影法检验1.2 刀口阴影法的几何原理例子：球差+离焦误差这是一个三次曲线。球差和离焦的波面是回转对称的，刀口从不同方向切割光束，阴影图的方向会改变，而形状是不变的。3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24221. 刀口阴影法检验1.2 刀口阴影法的几何原理例子：球差+离焦误差刀口平行于x轴 yyyxyxyxya)刀口位于边缘焦点前 b）刀口位于近轴焦点前 c）刀口位于边缘焦

10、点后3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24231. 刀口阴影法检验1.2 刀口阴影法的几何原理例子：球差+离焦误差再假设刀口位于光轴上，即r10 ya) b) c) d) a)边缘焦点后 xyxyxyxyb)边缘焦点和近轴焦点之间c)近轴焦点前d)近轴焦点处3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24241. 刀口阴影法检验1.3 刀口仪的光路和结构用阴影法观察波面误差，光路的安排有自准直和非自准直两种。自准直和非自准直光路所看到的阴影图基本相同，但进行定量检验时必须考虑到自准直光路光光线两次通过被测系统，因此波面误差加倍。图示为自准直刀口仪镜管的光路图。 自准直刀口仪光路图60 3

11、0小孔光阑 转盘 聚光镜 灯泡 调节螺钉被测件刀片刀刃滤光片3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24252. 子孔径拼接测试技术2.1 孔径拼接测试技术基本原理James Wyant等人在1981年测量大平面镜时提出的，是一种低成本、高分辨率检测大口径光学元件的有效手段。基本思想是“以小测大”，当被测平面光学元件尺寸超过干涉仪口径或者所测非球面产生的干涉条纹密度大于CCD空间3-2 光学元件面型测试技术 分辨率时，利用小口径干涉仪每次仅检测整个光学元件的一部分区域，待完成全孔径测量后，再使用适当的算法“拼接”就可得到全孔径面形信息。2022/7/24262. 子孔径拼接测试技术2.2 数

12、学优化处理方法其基本原理在于用干涉方法分别测量整个大孔径面形的一部分，并使各子孔径相互之间稍有重叠，然后从重叠区提取出相邻子孔径的参考面之间的相对平移、旋转，并依次把这些子孔径的参考面统一到某一指定的参考面，从而恢复出全孔径波面。关键技术：子口径划分方法拼接算法3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24272. 子孔径拼接测试技术2.3 子孔径拼接技术应用例被测件是一块平面环状K9玻璃镜，外径为150mm，内径32mm。利用ZYGO GPI干涉仪的吋（152mm）镜头进行全口径测量的结果为：PV=1.84，RMS=0.225，其中 常取632.8nm。采用9个子孔径拼接方案。3-2 光学元

13、件面型测试技术2022/7/24282. 子孔径拼接测试技术2.3 子孔径拼接技术应用例3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24292. 子孔径拼接测试技术2.3 子孔径拼接技术应用例3-2 光学元件面型测试技术串行模式的拼接结果(PV =2.0647，RMS=0.1715)并行模式的拼接结果(PV =1.837，RMS =0.2298)2022/7/24302. 子孔径拼接测试技术2.3 子孔径拼接技术应用例子孔径拼接测量对设备精度要求很高，如何消除拼接测量过程中的误差累积，尤其对非球面拼接测量的误差修正是干涉拼接测量所面临的主要问题。此外，子孔径的划分、子孔径波面数据的采集和子孔径拟

14、合拼接的数据处理方法等是子孔径拼接测量方法的关键技术。3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24313. 自由曲面的面型测试技术自由曲面没有严格明确的定义，通常指非回转对称、不规则、根据所需要求自由构造的曲面，在数学上一般使用解析形式或者离散数据点进行描述。与传统的球面和非球面相比，自由曲面具有更好的设计自由度，有时用一片自由曲面透镜就可以代替几片球面透镜的组合获得同样甚至更好的成像质量，这使得光学系统的重量和体积大大减小。3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24323. 自由曲面的面型测试技术目前自由曲面光学元件已经广泛应用于数码摄影镜头、激光打印机和扫描仪镜头、衍射光学器件、车灯

15、的反射镜和灯罩、平面显示器的导光板等产品。比如，含有自由曲面光学元件的投影系统，用自由曲面代替非球面使得系统厚度更小，视场更大；含有自由曲面光学元件的照明系统获得了更高的照明效率和照明均匀度。自由曲面光学元件尽管有其突出的优点，但远远不能进入到现代光学系统的主流中，原因就是光学自由曲面面形描述复杂，使得自由曲面光学元件在设计、加工以及检测过程中都存在着很多的技术难点。3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24333. 自由曲面的面型测试技术3.1 三坐标测量法接触式三坐标测量法几乎能测量任何类型的自由曲面面形，但通常其精度有限，高精度的三坐标测量精度能达到0.3m以下，这一精度可满足普通光

16、学成像系统的要求。采用激光位移传感器作为探头，发展趋势。3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24343. 自由曲面的面型测试技术3.2 计算机全息图法测量自由曲面计算全息法（CGH）理论上具有生成几乎任何形状波前的能力，使得它可结合激光干涉仪对自由曲面进行零位补偿光学测量，同时具有高效率和高精度的优点，是自由曲面等无回转对称性的光学表面较为理想的测量方法。非接触式自由曲面测量技术如：子孔径拼接干涉法、投影光栅法、激光三角法、全息法、深度图像三维测量法、逐层扫描测量法等，已成为自由曲面测量的重要发展方向。3-2 光学元件面型测试技术2022/7/24353-3 微光学元件参数测试2022/

17、7/2436衍射光学元件是利用计算机设计衍射图样，并通过微电子加工技术在光学材料表面制作浮雕的元件。衍射光学元件具有可以灵活地控制波前、可以集成多种功能于一体和可复制的优良特性，使光学系统及器件向轻型化、微型化和集成化发展。3-3 微光学元件参数测试2022/7/24373-3 微光学元件参数测试2022/7/2438微反/透镜阵列复眼透镜、光调制器、近场显示器、三维显示、匀光器件、防伪、光场相机、光场测量 3-3 微光学元件参数测试2022/7/24391. 衍射光学元件衍射效率测试衍射光学元件的衍射效率是通过含有衍射光学元件的折衍射混合光学系统的主衍射级次光通量与通过折衍射混合光学系统的总

18、光通量 之比来描述的。3-3 微光学元件参数测试2022/7/24402. 衍射光学元件表面形貌测量常用的适用于衍射光学元件表面形貌的测量技术采用干涉测量移相干涉测量技术。3-3 微光学元件参数测试2022/7/24413. 微透镜阵列焦距测量主要测量方法有：基于光栅剪切干涉测量法、基于光栅多缝衍射原理的分光法、基于清晰度定焦评价函数的图像处理法、基于哈特曼波前检测原理的测量法等。剪切干涉法测量微镜阵列焦距。3-3 微光学元件参数测试2022/7/24423-4 自聚焦透镜参数测试2022/7/2443自聚焦透镜（Grin Lens）又称为梯度变折射率透镜，其折射率分布沿径向渐变，具有聚焦和成像功能。由于梯度折射率透镜具有端面准直、耦合和成像特性，加上它圆柱状小巧的外形特点，在集成光学领域有着广泛的应用。3-4 自聚焦透镜参数测试2022/7/24441. 自聚焦透镜折射率分布测试焦距工作距离需测量焦距f、工作距离S和自身长度t。3-4 自聚焦透镜参数测试2022/7/24451. 自聚焦透镜折射率分布测试焦距测量类似普通透镜（可用放大率法）3-4 自聚焦透镜参数测试2022/7/24461. 自聚焦透镜折射率分布测试工作距离自聚焦透镜长度：工具显微镜测量焦距法测量自聚焦透镜的折射率分布常数，其测量不确定度可达 3-4 自