《第五章光学系统象质检验与评价.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章光学系统象质检验与评价.ppt（70页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第五章光学系统象质检验与评价,5-1 星点检验,3,一.星点检验原理 为克服物体上各点成像后弥散斑的作用，用以各点经过光学系统成像，观察其弥散斑，如果有误差及像差，弥散斑变形，利用人眼对此变形及亮度的变化，检验出象差这种方法称为星点检验。,5-1 星点检验,黑暗背景上有一个亮点（对被检系统而言，点的几何像小于弥散斑半径即可认为是一个点）人很容易区分光能的变化，如果衍射形状改变，则更灵敏，可达十分之一波长。,4,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
2、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：,5-1 星点检验,5,5-1 星点检验,6,5-1 星点检验,二.星点检验装置,7,5-1 星点检验,8,5-1 星点检验,1.对平行光管的要求平行光管口径大于待检物镜入瞳直径径且物镜像质较好光源选用发射连续光谱且亮度大的灯如钨带灯，汽车灯泡等，并用聚光镜照明星孔，以便看清星点象的细节。星孔直径的选择：为使星点衍射象有好的对比度和足够的衍射细节，星孔允许的最大角直径min应等于待检物镜艾里斑第一暗环的角半径1一半。,9,5-1 星点检验,例：如果,若不用平行光管则可直接将星点放置于距物镜前节点的距离20倍焦距处则,待检物镜口径
3、D=70mm 焦距,，由,得,星点大衬度不好、星点小衬度好但太小图形暗不易观察,10,5-1 星点检验,2.被检系统支持部分：能自动定心或带偏心调整装置，以保证被测物镜和平行光管光轴显微镜光轴重合。3.对观察显微镜的要求：显微物镜数值孔径：为使待检物镜射出的光束全部进入观察显微镜，应要求显微物镜的数值孔径等于或大于待检物镜的象方孔径角u即,显微镜总放大率：显微镜总放大率的选取应保证人眼能将星点衍射象的第一、二衍射亮环分辩开。,两环在被检焦面上距离,经显微镜后两衍射环像能为人眼鉴别取,则取,11,5-1 星点检验,若取,则,平面光学零件或望远镜用前置镜接收,除对前置镜的象质有要求外要求入瞳直径大
4、于望远镜出瞳,与显微镜的选择相似平面零件,当取=0.56m，以分为单位，待检望远系统出瞳直径D以毫米为单位时，,T,12,5-1 星点检验,三.星点检验方法与判别检验光学系统的共轴性检验球差检验彗差检验位置色差检验象散检验其它工艺疵病定量检验,不同球差时的星点像,不同彗差时的星点像,5-2 分辨率测试技术,14,5-2 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
5、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。,15,5-2 分辨率测试技术,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。,瑞利判断：K15,两衍射斑之间的光强最小值为最大值的73.5 道斯判据：K2.6,两衍射斑之间的合光强最小值为1.013最大为1.045 斯派罗判据：K0,两衍射斑之间的合光强值为1.118,16,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
6、，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,5-2 分辨率测试技术,17,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,5-2 分辨率测试技术,实际工作中，由于光学系统种类不同，分辨率的具体表示形式也不同，并通常以道斯判据给出的分辨
7、率作为光学系统的目视衍射分辨率(或称理想分辨率)。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：,18,5-2 分辨率测试技术,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0.5510-3mm,波像差与分辨率关系,可认为为理想分辨率,19,5-2 分辨率测试技术,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。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:,可见随着视场角的增大，子午方向的分辨率比弧矢方向分辨率
8、下降得更快些。,20,子午面上,21,弧矢面上,22,5-2分辨率测试技术 2.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。,23,5-2分辨率测试技术 2.分辨率测试方法,24,5-2 分辨率测试技术 2.分辨率测试方法,2.1 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
9、PP0 q n-1P0160m； ；n185P841.25m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A1A7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“单元”,辐射状分辨率图案,塔式分辨率图案：照相物镜照相时的分辨率,25,5-2 分辨率测试技术 2.分辨率测试方法,2.2 望远系统分辨率的测量 在光具座上测量望远系统分辨率时的光路安排与星点检验时类似，只是将星孔板换成分辨率板并增加一毛玻璃而已。,26,5-2 分辨率测试技术 2.分辨率测试方法,
10、2.2 望远系统分辨率的测量测量时，从线条宽度大的单元向线条宽度小的单元顺序观察，找出四个方向的线条都能分辨开的所有单元中单元号最大的那个单元（简称刚能分辨的单元）。根据此单元号和分辨率板号，由表查出该单元的线条宽度P（mm），再根据平行光管的焦距 （mm）由下式即可求出被测望远镜系统的分辨率,望远系统的物镜为孔径光阑又为入瞳所以分辨率由物镜决定目镜起放大作用设计时只考虑物镜分辨率。但由于加工装配，及材料误差故测量时不仅要对物镜进行单独测量外还要测定系统的分辨率。,27,5-2 分辨率测试技术,若待检望远镜存在较大的象差或工艺疵病，除使分辨率有明显下降外，还使分辨率图案中的线条象出现特定的变化
11、。由此变化可定性地判别影响象质的主要原因。例如：色差会使分辨率图案的线条象带有彩边，并影响线条边界锐度；球差引起透明线条象的边缘有均匀的光晕，使线条象对比度下降；彗差常使透明线条象形成单向的伸展光晕，严重时呈尾巴状；象散的存在，引起分辨率图案中相互垂直的线条象不能同时清晰，故观察显微镜需作调焦，才能分别看清各自方向的线条象。若望远镜装配不良或某个镜片偏心过大，则线条象的边缘往往形成暗弱的次生象。 望远镜的杂光会在图案象的透明背景上形成漫射光，降低线条象的对比度等。,28,5-2 分辨率测试技术,直接观察要求：（1）平行光管复消色，口径比被测系统口径大。（2）人眼极限分辨角1 4为如望远系统放大
12、倍率若系统分辨率时无法测量。（3）被测系统出瞳直径应小于人眼瞳孔直径否则无法测量,附加以辅助前置镜观察前置镜的要求与星点检验是相同入瞳大于被检仪器的出瞳，出瞳小于人眼瞳孔直径注意：（1）光轴重合（2）被检系统目镜视度为零（3）检验视场中心分辨率（4）四个方向均能分清,（5）不一定线条分得很开只要认出四个方向上的线条数即可 （6）分辨率板均匀照明,29,5-2 分辨率测试技术,望远物镜,栅格状分辨率板,辐射状分辨率板,注意：(1）平行光管物镜大于被测物镜孔径被测物镜尽量靠近平行光管以减小杂光的影响平行光管套一个比被检物镜稍大一点的光阑,(2)显微物镜 数值孔径和放大率根据被测物镜相对孔径选择,(
13、3)光轴基本重合,30,5-2 分辨率测试技术 2.分辨率测试方法,2.3 照相物镜目视分辨率测量在光具座上测量照相物镜的目视分辨率时通常采用目视法；而要测量照相物镜的照相分辨率，要考虑感光材料，采用照相法。其装置图和转换公式为： 式中，fc是平行光管的焦距；f 是被测物镜的焦距。,31,1-4 分辨率测试技术 2.分辨率测试方法,2.3 照相物镜目视分辨率测量测量轴外点的目视分辨率时，通常将被测物镜的后节点调整在物镜夹持器的转轴上，旋转物镜夹持器即可获得不同视场的斜光束入射，如上图中虚线所示。为了保证轴上与轴外都在同一像面上进行测量，当物镜转过视场角时，观察显微镜必须相应地向后移动一段距离x
14、。,32,5-2 分辨率测试技术 2.分辨率测试方法,2.3 照相物镜目视分辨率测量 由于分辨率板通过被测物镜后的成像面与其高斯像之间有一倾角，而且像的大小随视场角的增大而增大（不同视场的放大率不同），所以分辨率板上同一单元对轴上点和轴外点有不同的N值。,33,5-2 分辨率测试技术,综合分辨率 N照相物镜的目视分辨率,底片的分辨率,轴上点分辨率,注意事项：（1）平行光管口径大于被检物镜口径在检验各视场的分辨率时应保证平行光管的光束充满被测物物镜入瞳。（2）平行光管象质尽量好，焦距比被测物镜答两倍以上。（3）显微镜的数值孔径的选择a)分辨率高于被检物镜的分辨率b)被检物镜成像光束能全部进入显微
15、镜。,34,5-2 分辨率测试技术,a)在光具座上测量拍照在测量显微镜上测底片分辨率用大面积分辨率板拍照影响分辨率的因素目视分辨率底片分辨率冲洗方法,35,一.二次截面法（哈特曼法）测几何象差 （一）原理,5.3物镜几何象差检测,区域光阑（哈特曼光阑）,36,5.3物镜几何象差检测,37,5.3物镜几何象差检测,轴外球差曲线,象散与轴外球差的检测,38,5.3物镜几何象差检测,场曲的检测,检测某视场角下的Sot和Sos的方法，测出各视场角下的Sot和Sos值后，即可以为纵坐标，以对应的Sot和Sos为横坐标，作出待测物镜的细光束子午场曲和弧矢场曲曲线,在测不同视场角的斜光束球差曲线过程中，每次
16、调节待检物镜轴向位置时，截面E1和E2应与待检物镜同步移动，以确保测量基准面(E1)的统一。,39,5.3物镜几何象差检测,5彗差的检测,斜光束的子午光线对和弧矢光线对，经待检物镜后的交点到实际主光线的垂轴距离，分别称为子午彗差和弧矢彗差。,B为子午光线对的交点，线段AB即表示视场角为，入射高度为h时的子午彗差KT值。由图看出，只要分别在E1和E2截面上，测出入射高度为hn的子午光线对(或弧矢光线对)与中心光线的对应光斑的中心距a1和a2 (或a1和a2)，即可求得子午彗差或弧矢彗差,以h为纵坐标，以Kt或Ks为横坐标，即可作出不同视场角下的子午彗差曲线或弧矢彗差曲线。,40,5.3物镜几何象
17、差检测,由于哈特曼法无法确定理想象高，也无法确定实际主光线在理想象平面上的投射高度，故不能检测畸变和倍率色差。检测过程中的调整要点： (1)将小孔光阑校正到平行光管物镜焦面上；转动臂转到轴向位置。 (2)根据待检物镜的焦距和相对孔径选择合适小孔的哈特曼光阑。以使截面处拦得的光斑清晰、足够小且有一定数量。由经验，光阑孔直径的选取一般应为待检物镜焦距的ll00l400。当待检系统的相对孔径较小时宜取下限，以保证有足够多的测量点；反之，宜取上限，以得到边界尽可能清晰的光斑，并减少检测工作量。 (3)调待检物镜光轴与平行光管光轴重合。微调夹持器中的双偏心环，并使待检物镜绕水平轴旋转，若观测显微镜中看到
18、的小孔光阑象不再划圆圈(不动)，则表明两光轴已调重合。 (4)确定两截面的轴向位置，以其拦截的光斑小而清晰为好。依据经验，焦前和焦后截面离开焦平面的距离，应分别选待检物镜焦距的l/7和l/5左右较为合适。 (5)在检测斜光束象差时，应使待检物镜相对基准面的轴向位置始终保持不变。,41,5.3物镜几何象差检测,测量误差分析,在同一视场下对不同的bn1和bn2来说的误差是相同的，故可不考虑，所以,表明,42,5.3物镜几何象差检测,优缺点优点测量原理简单测多种几何象差精度较高（比如球差可达 ）可直接测象差曲线和设计曲线比较测量装置通用性好缺点近轴压不是直接测量测量工作量大不能测畸变，倍率色差,43
19、,5.3物镜几何象差检测,焦后：阴影与刀口移动方向相反焦后：阴影移动方向与刀口相同焦点：同时变暗,44,5.3物镜几何象差检测,二、刀口阴影法检测几何象差,45,5.3物镜几何象差检测,46,5.3物镜几何象差检测,47,5.3物镜几何象差检测,检测轴向色差使用两不同的单色光(加相应滤色片)，测出同一带区出现刃口环时刀口的位置之差，即为该带区两波长的轴向色差。如若检测各个带区的色差，可分别测得每种单色光的球差曲线，并画在同一坐际上，两曲线的横坐标之差即为相应各带区的轴向色差。滤色片半宽度应满足检测色差的需要，且应将滤色片放在刀口仪的平行光路中。,48,49,5.3物镜几何象差检测,50,5.3
20、物镜几何象差检测,优缺点优点：设备简单，多种检测适宜和于大口径零件、系统灵敏度高1/20非接触测量适于工序检验缺点大多数已能定性，不定量凸表面无法测量要有经验,51,5.4 物镜波象差检测,5.4.1 泰曼-格林干涉仪检测波象差,52,5.4 物镜波象差检测,向焦外离焦时W=W1W2 向焦内离焦时，W=W1+W2,53,5.4 物镜波象差检测,因实际待检物镜的波象差一般都很小，故当标准球面反射镜的球心与待检物镜最佳象点重合时，干涉条纹很少且不稳定，这给准确判读干涉条纹带来很大困难。可使球心故意偏离最佳象点位置，即离焦。离焦后的干涉条纹增多，也较稳定。此时干涉图表示的波差是实际待检波面相对离焦比
21、较波面的波差W1。为了求出实际波面相对最接近波面的波差W，必须求出由离焦引起的波差W2，即离焦比较波面相对最接近波面间的波差。,54,5.4 物镜波象差检测,55,5.4 物镜波象差检测,当待检物镜相对孔径不太大时，由离焦量S引起的波象差W2为 W2与h2成正比。若以W2为横坐标，h2为纵坐标，则所得的波象差W2曲线是一条直线，其斜率为,就可从干涉图测得波象差W1中剔除W2，从而求得波象差W。,56,5.4 物镜波象差检测,测量前先调出适当数目的高对比度的干涉条纹，并移动参考反射镜，使参考光路的光程缩短。根据增大测试光路和参考光路的光程差，干涉条纹向干涉级次低移，减少光程差，干涉条纹向级次高处
22、移的特点。可判断待检波面的形状。直至全部条纹同时扩大或缩小，再调球面反射镜，使条纹对称干涉场中心。拍摄离焦干涉图。量出干涉图直径D，若待检物镜的通光口径为D，则干涉图的放大率M=D/D。实际光线的入射高度h与入瞳处干涉环半径r关系为h=rM。按相邻干涉条纹程差变化2，求得离焦干涉图上各半径r，的波象差W1值。,57,5.4 物镜波象差检测,作W1-h2曲线。求W2-h2离焦波差曲线。用两条平行直线夹W1-h2曲线，改变两平行线的斜率，至两平行线的水平间隔最小。过坐标原点作直线，使其平行于两平行线，该直线即W2-h2曲线。曲线W1-h2对直线W2-h2的偏差即是待检透镜的实际波差W与h2对应值，
23、再转换为W-h值，即求得波象差曲线。,58,5.4 物镜波象差检测,由干涉图计算球差的方法,59,5.4 物镜波象差检测,5.4.2 剪切干涉法检测波象差,剪切干涉仪的两束相干光是由待检波面错位形成的，其光学通道相同，故对干涉仪元件的要求较低。同时，仪器对震动和温度变化等外界因素不敏感。,60,横向剪切干涉测量原理,61,采用振幅分割法，由于剪切， ，故光源尺寸受限制,W(x，y)=W(x，y)-W(x-s,y)=N,当S很小时，有W（x，y）=,=N,在出瞳面，一个仅有初级象差的波面，对球心位于高斯象点的球面波的偏差可表示为,W(x,y)=A(x2+y2)2+By(x2+y2)+C(x2+3
24、y2)+D(x2+y2)+Ex+Fy,A、B、C、D分别为球差、彗差、象散和离焦系数；E和F分别为绕y轴、绕x轴的波面倾斜系数。,62,1离焦 当系统仅存在离焦时，实际的波象差可表示为 W(x，y)=D(x2+y2) 离焦波面沿x轴横向剪切干涉的条纹分布 W(x，y)=2Dxs=N,一组平行等间隔的直条纹。条纹的方向垂直于x轴，干涉条纹的间隔为e=,若D=0，W(x，y)=0，干涉场呈现均匀一片。,63,2倾斜,当沿y方向的倾斜与离焦同时存在时，剪切干涉条纹分布为W(x，y)=2DSx+Fy=N 平行等间隔的直条纹，斜率tga=-2DSF。,64,3初级球差,若被测物镜仅存在初级球差，其沿x方
25、向剪切时干涉条纹分布为,W(x，y)=,S=4A(x2+y2)xS,当同时存在离焦，则其沿x方向剪切时干涉条纹分布,W(x，y)=4A(x2+y2)xS+2DxS=N,仅有初级球差的剪切干涉图是x的三次曲线。,若同时存在初级球差、离焦和倾斜，则干涉条纹方程 W(xy)=4A(x2+y2)xS+2DxS+Fy=N当D=0时，x轴附近的干涉条纹可近似写为 W(x,y)=4Ax3S+Fy=N,x轴附近的条纹具有“”形状特征，,65,4初级彗差 若被测物镜仅存在彗差，则沿x轴方向剪切时，其条纹分布为 W(x，y)=2ByxS=N 这是以x轴和y轴为渐近线的等轴双曲线型干涉条纹。 若同时存在离焦，则有
26、W(x，y)=2ByxS+2DxS=N 剪切干涉条纹仍为双曲线，相当于原等轴双曲线条纹沿y向偏移。,66,5. 初级象散,沿x轴剪切时，有初级象散的干涉条纹分布 W(x，y)=2CxS=N 当沿y轴方向剪切时，条纹分布为 W(x，y)=6CyS=N,仅存在象散时，得到的是垂直剪切方向的平行等间隔直条纹，且沿子午方向(y向)剪切时的干涉条纹比沿弧矢方向剪切时的条纹密些。根据这一特征可以判别象散的存在。,67,当象散波面同时存在离焦时，其干涉条纹分布为 W(x，y)=(2Cx+2Dx)s=N W(x，y)=(6Cy+2Dy)s=N 而当D=C和D=-3C时，W=0，即出现两个无干涉条纹位置，其间距即为象散值。 场曲类似于不同视场情况下的离焦。畸变和倍率色差是表示不同视场角的主光线位置偏差，故剪切干涉仪不能检测这两种象差。,68,剪切干涉圆求原始波面,一维剪切干圆的图解分析法原理,w(2s)-w(s),w(3s)-w(2s),令,69,无倾斜波面的干涉条纹,70,有倾斜波面波差,