光学测量原理和技术

1、第一章、 对准、调焦对准、调焦的定义、目的；1.对准又称横向对准，是指一个对准目标与比较标志在垂直瞄准轴方向像的重合或置中。目的：瞄准目标打靶；准确定位、测量某些物理量长度、角度度量。2、调焦又称纵向对准，是指一个目标像与比较标志在瞄准轴方向的重合。目的：-使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位于同一空间深度；-使物体目标成像清楚；-确定物面或其共轭像面的位置定焦。人眼调焦的方法及其误差构成；清楚度法：以目标和标志同样清楚为准则；消视差法：眼睛在垂直视轴方向上左右摇摆，以看不出目标和标志有相 对横移为准则。可将纵向调焦转变为横向对准。清楚度法误差源：几何焦深、物理焦深

2、； 消视差法误差源：人眼对准误差；几何焦深：人眼观看目标时，目标像不肯定能准确落在视网膜上。但只要目标上一点在视网膜上生成的弥散斑直径小于眼睛的区分极限，人眼仍会把该弥散斑认为是一个点，即认为成像清楚。由此所带来的调焦误差，称为几何焦深。 1 l121 l e1De物理焦深：光波因眼瞳发生衍射，即使假定为抱负成像，视网膜上的像点也不再是一个几何点，而是一个艾里斑。假设物点沿轴向移动l 后，眼瞳面上产生的波像差小于/K(常取 K=6)，此时人眼仍11区分不出视网膜上的衍射图像有什么变化。 2ll21清楚度人眼调焦扩展不确定度：8KD2e 2 8 2e 2 2 e 消视差法人眼调焦扩展不确定度：1

3、2De KD2 人眼摇摆距离为b，所选对准扩展不确定度为e， eb对准误差、调焦误差的表示方法；对准：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示； 调焦：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示常用的对准方式；光学系统在对准、调焦中的作用；e望远系统：对准扩展不确定度 调焦 2显微系统：对准 f ”250y e e e调焦nf ”D ” n f ”22n2x eeqx eeq NAD ”12NA 6 NA2 借助光学系统提高对准和调焦对准度提高对准精度、调焦精度的途径； 书上没有补充：消视差法特点：将纵向调焦转变为横向对准；可通过选择误差小的对准方式来提高调焦准确

4、度；不受焦深影响 ” D ” ”2 ”21ee122 ” 8 KD2 e ” b eey f ”250ee e 1 1 , 1.02min 610 Dy 1 1 , 0.51min 610 NA 2 8 2 n f ”22n2e x eeq D KD2 22NA 6 NA2 e 2D ”1 103x n f ”D ”eeq其次章 自准仪根本部件光具座的主要构造；NAD ”1平行光管准直仪带回转工作台的自准直望远镜前置镜透镜夹持器带目镜测微器的测量显微镜底座什么是平行光管；平行光管又称自准直仪，它的作用是供给无限远的目标或给出一束平行光。主要由一个望远物镜和一个安置在物镜焦平面处的分划板组成。三

5、种自准直目镜的光路简图；1、高斯式自准直目镜特点：亮视场暗刻线透亮分划板上刻不透光刻线；视轴与平面镜法线重合；比照度较差；有较强的杂散光。2、阿贝式特点：平面镜准直物镜分划板分光镜光源目镜目镜构造紧凑、焦距短易做成高倍率自准目镜； 比照度较好；瞄准视轴与自准用平面镜法线不重合； 视场有局部遮挡；可能消灭光束切割。3、双分划板式特点：亮视场暗刻线； 比照度较好；视轴与平面镜法线重合；构造简单、牢靠性较难保证准直物镜要求两块分划板都准确位于物镜焦面上，且二者刻线中心严格位于同一视轴上自准直望远镜、自准直显微镜构成、光路简图；自准直目镜 + 显微物镜 = 自准直显微镜自准直目镜 + 望远物镜 = 自

6、准直望远镜分划板分划板 目镜平面镜准直物镜分划板分光镜光源目镜自准直望远镜自准直显微镜补充：调整平行光管的目的是：是分划刻线平面与物镜焦平面准确重合第三章、焦距测量放大率法的原理简图及测量装置；凸透镜：y f yf c凹透镜：y f yf c测量装置：光具座光源、波罗板、平行光管、测量显微镜准直物镜被测透镜光源测量显微镜人眼匀光板平行光管放大率法焦距测量计算； 见书 33 页放大率法焦距测量中的留意事项物镜目镜显微镜分划板负透镜测量显微镜工作距离大于负透镜焦距光源光谱组成色差被测镜头像质近轴焦距与全口径焦距球差、测量显微镜 NA 习题 P39题 4、6第四章、准直与自准直技术准直、自准直的概念

7、； 准直：获得平行光束。自准直：利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上的方法。实现准直的方法；激光束：很好的方向性、很高的亮度，是直线性测量的抱负光束进一步提高激光束准直性平行性，可承受激光束的准直技术准直激光束，用来作为基准直线利用倒装望远镜法，实现激光束的准直望远镜越大，激光束发散角的压缩比越大！自准直仪的类别；一般指自准直望远镜和自准直显微镜。实现自准直的方法；利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上自准直望远镜法测量平行差的原理； 读数减半sin nsin 2 ” ”2nn第一平行差、其次平行差；第一光学平行差I：棱镜开放后的玻璃板在主截面内的不平行度误差，是由于棱镜主截面内的角

8、度误差引起的。其次光学平行差I I：棱镜开放后的玻璃板在垂直于主截面方向上的不平行度误差，是由棱镜的各个棱不平行而造成的，也称棱差或塔差直角棱镜 DI-90 光学平行差测量；BI=245C”2ICA2nI A 45 B 45 nII 2n4545 nIIII自准直显微镜法测量球面曲率半径的原理、简图；PP11CAACRPP2R2RRPP11ACAPR2P2凹面镜凸面镜要求显微物镜工作距离足够大！P1AF”P2自准直显微镜法测量透镜顶焦距的原理、简图P1AP2自准直显微镜法一般不用于测负透镜的焦距、顶焦距补充：测量焦距简图和原理见课件或书上第五章、测角技术周密测角仪的主要部件关键部件及其作用；周

9、密测角仪是实现角度高精度测量的重要仪器；主要仪器圆分度器件是周密测角仪的角度基准部件；关键部件角度测量就是使被测的角度量和圆分度进展比较。测量原理、本质自准直前置镜瞄准、定位平行光管产生无限远的瞄准标记：狭缝、分划线等周密轴系围绕旋转中心平稳旋转，圆锥轴系、圆柱轴系、空气静压轴系圆分度器件角度基准显微读数系统将被测角与度盘进展比较，得到角度值常见的圆分度器件； 度盘圆光栅衍射光栅：栅距较小，一般约为 0.5um 2um，利用光栅的衍射效应，主要应用于光谱仪等；计量光栅：栅距稍大，一般约为0.01mm 0.05mm，利用两块光栅叠合在一起时产生的莫尔条纹现象进展长度或角度计量，主要用于计量仪器。

10、计量光栅又可分为长光栅和圆光栅，分别用于长度计量和角度计量。圆光栅还可分为径向光栅和切向光栅。光学轴角编码器光电读取符合成像系统与对径读数法的用途；为消退度盘分度圆中心与旋转轴中心不能完全重合带来的偏心误差，可利用在度盘直径 两端取得读数后取平均值的方法，称为对径读数法。所承受的光学读数系统为符合成像系统。如何减小或消退自准直望远镜的视差？ 自准直法、清楚度法如何减小或消退平行光管分划面的离焦？用自准直望远镜观看平行光管出射的平行光，调整分划板位置，直至看到清楚的分划板刻线。BCA把握至少一种基于测角仪的棱镜角度测量方法； 其中之一：A=180 12V 棱镜法折射率测量原理及精度水平；n2 s

11、in2 0n n2 sin0n n0取+精度可达 1 2105V 棱镜折光仪的主要构造； 平行光管V 棱镜对准望远镜度盘读数显微镜折射液的作用；消退空隙，防止光线全反射；降低对被测样品的要求直角偏差、AE 及ED 面光学玻璃折射率测量的其它方法及精度水平；测量方法特点测量精度测量仪器最常用V 棱镜法精度较高，能满足大多数应用需求测量简便10-5V 棱镜折光仪测角仪较常用 精度很高最小偏向角法测定最小偏向角较为困难10-6周密测角仪较常用 精度很高任意偏向角法任意偏向角，测量简便10-6周密测角仪镜头焦距测量的其它方法； 周密测角法测量物镜焦距f ” ytan 0A2y02B2- f偏振分析与测

12、量的分类、应用状况； 应用 ：珠宝玉石/矿物成份检定；生物医学检验；光学薄膜测量；葡萄糖浓度测量；偏振干预、偏振外差两类：1、测量光波偏振态2、测量物质偏振特性偏振参数、偏振传递矩阵 补充：1、 当看到分划线的自准直像和分划线本身重合时即形成自准直状态，表示自准直望远镜光轴与被测外表垂直，此过程称为自准直望远镜对被测平面的照准定位。2、测角仪测量前的状态调整测角仪主轴应处于铅垂状态；水准器水泡自准直望远镜和平行光管应当消视差；自准直法、清楚度法 自准直望远镜光轴应当和测角仪主轴垂直；高质量平行玻璃板平行光管光轴应当和自准直望远镜光轴相平行。瞄准中心2、 V 棱镜测量步骤调整仪器零位；零位校正专

13、用标准玻璃块装入被测样品折射液、排解气泡；望远镜瞄准分划像；读数显微镜读数，并进展零位修正；计算被测样品折射率第七章、干预干预测量的用途、特点； 用途：光学面形检验：平面、球面、二次曲面角度偏差检验：楔镜、棱镜、角锥玻璃材料均匀性折射率 球面曲率半径测量光学系统波像差：有限共轭，无限共轭特点：精度高时间相干性、空间相干性；由于光源的非单色性频谱展宽，干预条纹比照度会下降，降低程度与两相干光波的传播时间差有关。把这种因频谱展宽引起的相干性问题称为时间相干性。相干长度： L 2最大干预级：L相干时间L2m c c通常扩展光源上不同的点发出的光是不相干的，不同点源产生的干预条纹的非相干叠加会导致条纹

14、比照度下降，降低程度与扩展光源的空间大小有关。把这种因光源的空间扩展引起的相干性问题称为空间相干性。等倾干预、等厚干预；厚度一样的各点具有相等的光程差，即具有一样的条纹强度，这类条纹为等厚条纹。等倾：指入射光线或反射光线相对于平板法线的倾斜角度相等。当透镜光轴与法线平行时，能获得圆形等倾条纹，否则不是圆形的。影响干预条纹比照度的因素； 时间相干性与空间相干性 相干光束的光强相干光束的振动方向杂散光振动、空气扰动牛顿干预仪简图、时间相干性、空间相干性争辩；h x22R第 m 个暗条纹x2R m牛顿环的特点、球面曲率半径估算； 特点：抱负状况下球面+平面：中心暗斑相位跃变，光疏到光密的反射有相位跃

15、变；同心圆环状条纹；条纹内疏外密；干预法楔角测量及楔角方向推断；ltl ttmtm1 tan2n tan2n即2nl上外表上移，则条纹从厚-薄按压上外表，则条纹从薄-厚依据条纹移动可推断楔角方向或开口方向。实际操作：轻压上面的平板。课件里有两个例题迈克尔逊干预仪、泰曼干预仪、菲索干预仪的特点；泰曼：分振幅、分光路牛顿干预仪，分光路简洁受环境影响菲索：分振幅、共光路牛顿干预仪，可实现平面干预、球面干预等。共光路：可减小环境干扰。本质上为牛顿干预原理。菲索平面干预仪原理、构造、光路简图；详见课本 92、93 页；菲索平面干预仪的时间相干性、空间相干性；平面面形误差检验的干预条纹；消退倾斜，使得条纹

16、牛顿环最为稀疏。面形误差和不平行度都会产生干预条纹，如何区分这两种条纹？ 面形误差的条纹间距较大？平面面形凸、凹推断，目视半径偏差光圈数判读；用手轻压载物台，使两外表见光程增加，假设干预条纹收缩则为凸，反之为凹。半径偏差：以有效检验范围内，直径方向上最多干预条纹数的一半来度量光圈数N。平行平板平行度的干预测量方法、条纹特点、棱边方向、厚薄推断及角度计算； 光线经上下外表反射形成等厚干预，条纹是相互平行的等间隔直条纹、主截面方向垂直于条纹方向。厚薄推断：用手指接触玻璃外表略微加热，玻璃局部受热膨胀厚度增加，这时受热处的干预条纹往哪边凸，棱边薄端就在哪端。角度计算详见试验教材 111 页。移相干预

17、术的特点；有利于消退系统误差、减小随机的大气湍流、振动及漂流的影响，可适当放宽对干预仪器的制造精度要求。补充：1、牛顿环推断曲率单色光源：轻轻按压上面的零件。条纹集中则凸，条纹收缩则凹。白光光源：按压使两者严密接触，中心暗斑、第一亮纹几乎为白色。其余亮纹内侧蓝色、外侧红色则为凸，反之为凹。第八章、星点检验什么是星点检验？依据星点像的大小和光强分布状况来评定光学系统成像质量的方法就是星点检验法。“点光源”经光学系统所成的像称为星点像；抱负光学系统星点像为艾里斑，光强分布理论可推导圆孔函数傅立叶变换的模的平方；实际光学系统：设计不完善、加工误差、装配误差、材料缺陷，球差、色差、像散、畸变导致星点像

18、变形，能量分布发生变化实质：比较与抱负衍射艾里斑的光强分布进展比较；与像差的星点像的光强分布(阅历)进展比较。三种像质检测法的优缺点；根本、直观简便、灵敏度较高，主观、定性或半定性评价法，对检测人星点检验全面员专业技能要求较高区分率法定量、简洁便利主观性大，信息量少光学传递函数法客观、定量设计原理简单，测量过程简单目前已改善抱负衍射受限系统及其星点像特点；不存在几何像差和其它一些工艺疵病，只需要考虑光学衍射效应的抱负光学系统。一些小像差的光学系统，比方它们的波像差小于 / 6，或者满足斯特雷尔容限，也可以近似认为是抱负衍射受限系统。抱负衍射受限系统焦平面光强分布：I 2J 2 2 a r 2

19、a 1 f ” 0I沿光轴方向听从sinc 分布，焦平面上听从一阶贝塞尔函数。星点检验装置； 使用测量显微镜：准直物镜被测系统光源观看显微镜人眼物镜聚光镜平行光管目镜使用测量望远镜：准直物镜被测望远镜光源前置镜人眼聚光镜平行光管物镜目镜星点检验条件；1、星孔大小要适中星孔允许的最大角直径必需小于等于艾里斑第一衍射暗环角半径的二分之一。 1 =0.61/Dmax21d=f ”2、不能切割光束；maxmaxc观看显微物镜数值孔径的选择：显微物镜的物方最大孔径角 Umax 必需大于等于被检物镜的像方孔径角 Umax。3、观看显微镜/前置镜的放大倍率要足够大；视放大率以人眼观看时能分开星点像第一、二衍

20、射亮环为准观看显微镜视放大率的选择观看显微镜人眼物镜目镜被测镜头入瞳直径 250 Df ”被测镜头焦距前置镜视放大率的选择被测望远镜前置镜人眼前置镜D ”2e物镜目镜D为被测望远镜的出瞳直径以 mm 为单位， e人眼极限区分角，以分为单位。 4、观看显微镜/前置镜的成像质量优良；5、装调准确。星点检验能检什么像差，不能检什么像差？ 能检像散、慧差、球差，不能检畸变、场曲补充：星点检验优点：测量装置简洁、操作便利、直观能反映大多数像差、工艺疵病等成像质量问题，比较全面灵敏度较高缺点：星点像简单，反映了大量信息：球差、慧差、像散、离焦、材料缺陷、装配误差、内应力、杂光主观、定性分析星点检验对慧差、

21、像散、球差灵敏，不能反映畸变、场曲第九章、区分率测量三类光学系统的光学区分率表示形式；望远系统用望远物镜后焦面上刚能区分开的两个衍射斑的中心距对物镜后主点的张角来表示区分率 fobjective照相系统用像面上刚能区分开的两个衍1 射光斑中心距的倒数来表示区分率N 显微系统直接用物面上刚能区分开的两个物点间的距离来表示区分率 空间频率；T 0.1 mm1f 10 Cycles / mm T抱负衍射受限系统的区分率定义；抱负衍射系统中，两个独立发光点通过光学系统成像得到两个衍射光斑。分析抱负衍射系统能区分的最小间距，即为抱负系统的理论区分数值。三类光学系统的理论光学区分率计算；、瑞利道斯斯派罗望

22、远(rad)1.02D0.947D(mm照相1.22D11.2211 F1.020.51NAF0.9470.47NAF(m)m显微0.61NA区分-率1 测量装置及区分率板；)毛玻璃光源区分率板准直物镜被测系统前置镜/观察显微镜 人眼聚光镜平行光管理论区分率分析承受双像点艾里斑分析法。实际测量：在平行光管上，承受区分率板作为分划板，观看被测系统所成的像，判读所能区分的最细密条纹。关键器件区分率板此种区分率板，总共有 7 块板，各有板号，分别为 A1A7，其中条纹的密度渐渐加大。每块板总共有 25 个单元，每个单元由四组不同方向的条纹组成。P P qn1P 160um( A 号板第1单元线宽00

23、1122q 1 0.94387n 1,2,3,85N 1 2 p照相物镜轴上区分率测量与计算；被测毛玻璃区分率板准直物镜照相物镜光源观看显微镜人眼聚光镜平行光管N (N001 ) 2 pN N0f cf mm1N0 为无限远处N 为像面上区分率补充：1、望远镜系统区分率测量test毛玻璃区分率板准直物镜光源被测系统前置镜人眼聚光镜平行光管 2 p 206265(“)f 3、 优点：定量、设c 备简洁、要求低局限性：灵敏度不如星点检验高、不够全面、不能反映低比照度成像性能。第十章、光学传递函数点集中函数；星点像的归一化能量分布光强分布即为点集中函数线扩展函数；对点扩展函数一维方向求积分可得线扩展函数。或：