光學測量原理及技術

1、第一章、對準、調焦?對準、調焦的定義、目的；對準又稱橫向對準，是指一個對準目標與比較標志在垂直瞄準軸方向像的重合或置中。目的：瞄準目標（打靶）；精確定位、測量某些物理量（長度、角度度量）2、調焦又稱縱向對準，是指一個目標像與比較標志在瞄準軸方向的重合。目的：也就是使二者位于同一空間-使目標與基準標志位于垂直于瞄準軸方向的同一個面上,深度；-使物體（目標）成像清晰；-確定物面或其共軛像面的位置一一定焦。人眼調焦的方法及其誤差構成；清晰度法：以目標和標志同樣清晰為準則；消視差法：眼睛在垂直視軸方向上左右擺動，以看不出目標和標志有相對橫移為準則?？蓪⒖v向調焦轉變?yōu)闄M向對準。清晰度法誤差源：幾何焦深、

2、物理焦深；消視差法誤差源：人眼對準誤差；幾何焦深：人眼觀察目標時，目標像不一定能準確落在視網膜上。但只要目標上一點在視網膜上生成的彌散斑直徑小于眼睛的分辨極限，人眼仍會把該彌散斑認為是一個點，即認為成像清晰。由此所帶來的調焦誤差，稱為幾何焦深。._iiI二e物理焦深：光波因眼瞳發(fā)生衍射，即使假定為理想成像，視網膜上的像點也不再是一個幾何點，而是一個艾里斑。若物點沿軸向移動I后，眼瞳面上產生的波像差小于入/K（常取K=6），此時人眼仍分辨不出視網膜上的衍射圖像有什么變化。118/（清晰度）人眼調焦擴展不確定度：°2=-匸石不互（消視差法）人眼調焦擴展不確定度：花肝玉川冬I人眼擺動距離為

3、b，所選對準擴展不確定度為Se，如_坐De丿JKDe丿?對準誤差、調焦誤差的表示方法；一b對準：人眼、望遠系統(tǒng)用張角表示；顯微系統(tǒng)用物方垂軸偏離量表示；人IW對朮擴屈平確底疫反堤對準單線與單經噸件對蠱諭薛対準15"兒紅寬不直大于2,分界卷翻應地巾廉吝i(r1. 三紋嚴略圧行2. 兩平打程屮心問兇菲WMAMtl倍.埜堆對準icy-St雉鳥對虛1QT直址峙嶷登嚴帶甲存?常用的對準方式;書上沒有？調焦：人眼、望遠系統(tǒng)用視度表示；顯微系統(tǒng)用目標與標志軸向間距表示?光學系統(tǒng)在對準、調焦中的作用；望遠系統(tǒng)：對準擴展不確定度調焦=250eD'1顯微系統(tǒng)：對準心jef'e調焦ynfq

4、借助光學系統(tǒng)提高對準和調焦對na準度?提高對準精度、調焦精度的途徑；補充：消視差法特點：將縱向調焦轉變?yōu)闄M向對準；可通過選擇誤差小的對準方式來提高調焦精確度；不受焦深影響第二章自準儀基本部件?光具座的主要構造；?平行光管（準直儀）?帶回轉工作臺的自準直望遠鏡（前置鏡）?透鏡夾持器?帶目鏡測微器的測量顯微鏡?底座?什么是平行光管；平行光管又稱自準直儀，它的作用是提供無限遠的目標或給岀一束平行光。主要由一個望遠物鏡和一個安置在物鏡焦平面處的分劃板組成。?三種自準直目鏡的光路簡圖；1高斯式自準直目鏡特點：亮視場暗刻線（透明分劃板上刻不透光刻線）視軸與平面鏡法線重合；對比度較差；有較強的雜散光。2、阿

5、貝式特點：目鏡結構緊湊、焦距短易做成高倍率自準目鏡;對比度較好；瞄準視軸與自準用平面鏡法線不重合；視場有部分遮擋；可能出現光束切割。3、雙分劃板式特點：亮視場暗刻線；對比度較好；視軸與平面鏡法線重合；結構復雜、可靠性較難保證（要求兩塊分劃板都準確位于物鏡焦面且二者刻線中心嚴格位于同一視軸上）?自準直望遠鏡、自準直顯微鏡（構成、光路簡圖）自準直目鏡+顯微物鏡=自準直顯微鏡自準直目鏡+望遠物鏡=自準直望遠鏡自準直望遠鏡自準直顯微鏡補充：調節(jié)平行光管的目的是：是分劃刻線平面與物鏡焦平面精確重合第三章、焦距測量?放大率法的原理簡圖及測量裝置;凸透鏡：凹透鏡：測量裝置：光具座（光源、波羅板、平行光管、測

6、量顯微鏡）?放大率法焦距測量計算；見書33頁放大率法焦距測量中的注意事項負透鏡（測量顯微鏡工作距離大于負透鏡焦距）1. 光源光譜組成（色差）被測鏡頭像質2. 近軸焦距與全口徑焦距（球差）、測量顯微鏡NA習題P39題4、6第四章、準直與自準直技術?準直、自準直的概念；準直：獲得平行光束。自準直：利用光學成像原理，使物和像都在同一個平面上的方法。?實現準直的方法；激光束：很好的方向性、很高的亮度，是直線性測量的理想光束進一步提高激光束準直性（平行性），可采用激光束的準直技術準直激光束，用來作為基準直線利用倒裝望遠鏡法，實現激光束的準直望遠鏡r越大，激光束發(fā)散角的壓縮比越大！?自準直儀的類別；一般指

7、自準直望遠鏡和自準直顯微鏡。?實現自準直的方法；利用光學成像原理，使物和像都在同一個平面上？?自準直望遠鏡法測量平行差的原理；讀數減半?第一平行差、第二平行差；第一光學平行差0I:棱鏡展開后的玻璃板在主截面內的不平行度誤差，是由于棱鏡主截面內的角度誤差引起的。第二光學平行差0II:棱鏡展開后的玻璃板在垂直于主截面方向上的不平行度誤差，是由棱鏡的各個棱不平行而造成的，也稱棱差或塔差?直角棱鏡DI-90°光學平行差測量；?自準直顯微鏡法測量球面曲率半徑的原理、簡圖；凹面鏡凸面鏡要求顯微物鏡工作距離足夠大！?自準直顯微鏡法測量透鏡頂焦距的原理、簡圖自準直顯微鏡法一般不用于測負透鏡的焦距、頂

8、焦距補充:測量焦距簡圖和原理見課件或書上第五章、測角技術?精密測角儀的主要部件關鍵部件及其作用；精密測角儀是實現角度高精度測量的重要儀器；（主要儀器）圓分度器件是精密測角儀的角度基準部件；（關鍵部件）角度測量就是使被測的角度量和圓分度進行比較。（測量原理、本質）自準直前置鏡（瞄準、定位）平行光管（產生無限遠的瞄準標記:狹縫、分劃線等）精密軸系（圍繞旋轉中心平穩(wěn)旋轉，圓錐軸系、圓柱軸系、空氣靜壓軸系）圓分度器件（角度基準）顯微讀數系統(tǒng)（將被測角與度盤進行比較，得到角度值）?常見的圓分度器件；度盤圓光柵衍射光柵：柵距較小，一般約為0.5um2um，利用光柵的衍射效應，主要應用于光譜儀等；計量光柵：

9、柵距稍大，一般約為0.01mm0.05mm，利用兩塊光柵疊合在一起時產生的莫爾條紋現象進行長度或角度計量，主要用于計量儀器。計量光柵又可分為長光柵和圓光柵，分別用于長度計量和角度計量。圓光柵還可分為徑向光柵和切向光柵。光學軸角編碼器（光電讀?。?符合成像系統(tǒng)與對徑讀數法的用途；為消除度盤分度圓中心與旋轉軸中心不能完全重合帶來的偏心誤差，可利用在度盤直徑兩端取得讀數后取平均值的方法，稱為對徑讀數法。所采用的光學讀數系統(tǒng)為符合成像系統(tǒng)。?如何減小或消除自準直望遠鏡的視差？自準直法、清晰度法?如何減小或消除平行光管分劃面的離焦？用自準直望遠鏡觀察平行光管岀射的平行光，調整分劃板位置，直至看到清晰的分

10、劃板刻線。?掌握至少一種基于測角儀的棱鏡角度測量方法；其中之一：?V棱鏡法折射率測量原理及精度水平；nn°取+精度可達1210?V棱鏡折光儀的主要構造；平行光管V棱鏡對準望遠鏡度盤讀數顯微鏡?折射液的作用；1消除空隙，防止光線全反射；2降低對被測樣品的要求（直角偏差、AE及ED面）?光學玻璃折射率測量的其它方法及精度水平；測量方法特點測量精度測量儀器V棱鏡法最常用精度較高，能滿足大105多數應用需求測量簡便V棱鏡折光儀（測角儀）最小偏向角法任意偏向角法較常用精度很高測定最小偏向角較10-6為困難較常用精度很高任意偏向角，測量簡10-6便精密測角儀精密測角儀?鏡頭焦距測量的其它方法;精

11、密測角法測量物鏡焦距?偏振分析與測量的分類、應用情況；應用：1. 珠寶玉石/礦物成份檢定；生物醫(yī)學檢驗；2. 光學薄膜測量；葡萄糖濃度測量；3. 偏振干涉、偏振外差兩類：1、測量光波偏振態(tài)2、測量物質偏振特性（偏振參數、偏振傳遞矩陣）補充：1、當看到分劃線的自準直像和分劃線本身重合時（即形成自準直狀態(tài)），表示自準直望遠鏡光軸與被測表面垂直，此過程稱為自準直望遠鏡對被測平面的照準定位。2、測角儀測量前的狀態(tài)調整測角儀主軸應處于鉛垂狀態(tài)；（水準器水泡）自準直望遠鏡和平行光管應當消視差；（自準直法、清晰度法）自準直望遠鏡光軸應當和測角儀主軸垂直；（高質量平行玻璃板）平行光管光軸應當和自準直望遠鏡光軸

12、相平行。（瞄準中心）2、V棱鏡測量步驟調節(jié)儀器零位；（零位校正專用標準玻璃塊）裝入被測樣品（折射液、排除氣泡）；望遠鏡瞄準分劃像；讀數顯微鏡讀數，并進行零位修正；計算被測樣品折射率第七章、干涉干涉測量的用途、特點；用途：光學面形檢驗：平面、球面、二次曲面角度偏差檢驗：楔鏡、棱鏡、角錐玻璃材料均勻性（折射率）球面曲率半徑測量光學系統(tǒng)波像差：有限共軛，無限共軛特點：精度高?時間相干性、空間相干性；由于光源的非單色性（頻譜展寬），干涉條紋對比度會下降，降低程度與兩相干光波的傳播時間差有關。把這種因頻譜展寬引起的相干性問題稱為時間相干性。相干長度：2最大干涉級：相干時間|2通常擴展光源上不同的點發(fā)出的

13、光是不相干的，不同點源產生的干涉條紋的非相干疊加會導致條紋7對比度下降，降低程度與擴展光源的空間大小有關。把這種因光源的空間擴展引起的相干性問題稱為空間相干性。?等傾干涉、等厚干涉；等厚條紋。厚度相同的各點具有相等的光程差，即具有相同的條紋強度，這類條紋為等傾：指入射光線（或反射光線）相對于平板法線的傾斜角度相等。當透鏡光軸與法線平行時，能獲得圓形等傾條紋，否則不是圓形的。?影響干涉條紋對比度的因素；時間相干性與空間相干性相干光束的光強相干光束的振動方向雜散光振動、空氣擾動?牛頓干涉儀簡圖、時間相干性、空間相干性討論；第m個暗條紋?牛頓環(huán)的特點、球面曲率半徑估算；特點：理想情況下（球面+平面）

14、：1. 中央暗斑（n相位躍變，光疏到光密的反射有n相位躍變）；同心圓環(huán)狀條紋；2. 條紋內疏外密；?干涉法楔角測量及楔角方向判斷；即上表面上移，則條紋從厚->薄按壓上表面，則條紋從薄->厚根據條紋移動可判斷楔角方向或開口方向。實際操作：輕壓上面的平板。（課件里有兩個例題）?邁克爾遜干涉儀、泰曼干涉儀、菲索干涉儀的特點；泰曼：分振幅、分光路牛頓干涉儀，分光路容易受環(huán)境影響菲索：分振幅、共光路牛頓干涉儀，可實現平面干涉、球面干涉等。共光路：可減小環(huán)境干擾。本質上為牛頓干涉原理。?菲索平面干涉儀原理、構造、光路簡圖；詳見課本92、93頁；?菲索平面干涉儀的時間相干性、空間相干性；?平面面

15、形誤差檢驗的干涉條紋；消除傾斜，使得條紋（牛頓環(huán)）最為稀疏。面形誤差和不平行度都會產生干涉條紋，如何區(qū)分這兩種條紋？面形誤差的條紋間距較大？?平面面形凸、凹判斷，目視半徑偏差（光圈數）判讀；用手輕壓載物臺，使兩表面見光程增加，若干涉條紋收縮則為凸，反之為凹。半徑偏差：以有效檢驗范圍內，直徑方向上最多干涉條紋數的一半來度量光圈數N。?平行平板平行度的干涉測量方法、條紋特點、棱邊方向、厚薄判斷及角度計算；光線經上下表面反射形成等厚干涉，條紋是相互平行的等間隔直條紋、主截面方向垂直于條紋方向。厚薄判斷：用手指接觸玻璃表面稍微加熱，玻璃局部受熱膨脹厚度增加，這時受熱處的干涉條紋往哪邊凸，棱邊（薄端）就

16、在哪端。角度計算詳見實驗教材111頁。?移相干涉術的特點；有利于消除系統(tǒng)誤差、減小隨機的大氣湍流、振動及漂流的影響，可適當放寬對干涉儀器的制造精度要求。補充：1牛頓環(huán)判斷曲率單色光源：輕輕按壓上面的零件。條紋擴散則凸，條紋收縮則凹。白光光源：按壓使兩者緊密接觸，中央暗斑、第一亮紋幾乎為白色。其余亮紋內側藍色、外側紅色則為凸，反之為凹。第八章、星點檢驗?什么是星點檢驗？根據星點像的大小和光強分布情況來評定光學系統(tǒng)成像質量的方法就是星點檢驗法。點光源”經光學系統(tǒng)所成的像稱為星點像；理想光學系統(tǒng)星點像為艾里斑，光強分布理論可推導（圓孔函數傅立葉變換的模的平方）；實際光學系統(tǒng)：設計不完善、加工誤差、裝

17、配誤差、材料缺陷，球差、色差、像散、畸變導致星點像變形，能量分布發(fā)生變化實質：比較與理想衍射艾里斑的光強分布進行比較；與已知像差的星點像的光強分布（經驗）進行比較?三種像質檢測法的優(yōu)缺點；?理想衍射受限系統(tǒng)及其星點像特點；星點檢驗基本、直觀簡便、靈敏度較高，全面主觀、定性或半定性評價法，對檢測人員專業(yè)技能要求較高分辨率法定量、簡單方便主觀性大，信息量少光學傳遞函數法客觀、定量設計原理復雜，測量過程復雜（目前已改善）不存在幾何像差和其它一些工藝疵病，只需要考慮光學衍射效應的理想光學系統(tǒng)。一些小像差的光學系統(tǒng)，比如它們的波像差小于/6，或者滿足斯特雷爾容限，也可以近似認為是理想衍射受限系統(tǒng)。理想衍

18、射受限系統(tǒng)焦平面光強分布：沿光軸方向服從sine分布，焦平面上服從一階貝塞爾函數。?星點檢驗裝置；使用測量顯微鏡：使用測量望遠鏡：?星點檢驗條件；1、星孔大小要適中星孔允許的最大角直徑必須小于等于艾里斑第一衍射暗環(huán)角半徑的二分之一。2、不能切割光束;:max空11=0.61'/D觀察顯微物鏡數值孔徑的選擇：2顯微物鏡的物方最大孔徑角ax二Umax必須大于等于被檢物鏡的像方孔徑角U'max。3、觀察顯微鏡/前置鏡的放大倍率要足夠大；視放大率以人眼觀察時能分開星點像第一、二衍射亮環(huán)為準3.1觀察顯微鏡視放大率的選擇被測鏡頭入瞳直徑3.2前置鏡視放大率的選擇-250<尿D

19、9;為被測望遠鏡的出瞳直徑以n被測單位頭焦乍人眼極限分辨角，以分為單位。4、觀察顯微鏡/前置鏡的成像質量優(yōu)良；5、裝調準確。?星點檢驗能檢什么像差，不能檢什么像差？能檢像散、慧差、球差，不能檢畸變、場曲補充：星點檢驗優(yōu)點：?測量裝置簡單、操作方便、直觀?能反映大多數像差、工藝疵病等成像質量問題，比較全面?靈敏度較高缺點：?星點像復雜，反映了大量信息：球差、慧差、像散、離焦、材料缺陷、裝配誤差內應力、雜光?主觀、定性分析?星點檢驗對慧差、像散、球差靈敏，不能反映畸變、場曲第九章、分辨率測量?三類光學系統(tǒng)的光學分辨率表示形式；望遠系統(tǒng)用望遠物鏡后焦面上剛能分辨開的兩個衍射斑的中心距b對物鏡后主點的

20、張角來表示分辨率a=fobjective照相系統(tǒng)用像面上剛能分辨開的兩個衍射光斑中心距b的倒數來表示分辨率顯微系統(tǒng)直接用物面上剛能分辨開的兩個物點間的距離來表示分辨率?空間頻率；?理想衍射受限系統(tǒng)的分辨率定義；理想衍射系統(tǒng)中，兩個獨立發(fā)光點通過光學系統(tǒng)成像得到兩個衍射光斑。分析理想衍射系統(tǒng)能分辨的最小間距，即為理想系統(tǒng)的理論分辨數值。?三類光學系統(tǒng)的理論光學分辨率計算；、?分辨率測量裝置及分辨率板瑞利理論分辨率分析采用雙像點（艾里斑）分析法。實際測量：在平遠光管上）采用分辨率板22為分劃板，觀察被測系統(tǒng)所成的像，判讀所能47辨的最細密條紋。關鍵器件一一分辨率板此種分辨率照，相總共有7塊板，各有

21、板號，分別為122丸F有25個單元，每個單元由四組不同方向的條紋組成?照相物鏡軸上分辨率測量與計算；N0為無限遠處N為像補充：1、望遠鏡系統(tǒng)分辨率測量3、優(yōu)點：定量）設備簡單、要求低?分辨率測量裝置及分辨率板瑞利理論分辨率分析采用雙像點（艾里斑）分析法。實際測量：在平遠光管上）采用分辨率板22為分劃板，觀察被測系統(tǒng)所成的像，判讀所能47辨的最細密條紋。關鍵器件一一分辨率板此種分辨率照，相總共有7塊板，各有板號，分別為122丸F有25個單元，每個單元由四組不同方向的條紋組成?照相物鏡軸上分辨率測量與計算；N0為無限遠處N為像補充：1、望遠鏡系統(tǒng)分辨率測量3、優(yōu)點：定量）設備簡單、要求低道斯1.0斯派羅DA117,其中條紋的密度逐漸加大。每塊板總共0.947'F0.47NANANA局限性：靈敏度不如星點檢驗高、不夠全面、不能反映低對比度成像性能。第十章、光學傳遞函數?點擴散函數；星點像的歸一化能量分布(光強分布)即為點擴散函數?線擴展函數；對點擴展函數一維方向求積分可得線擴展函數。或：物平