光学测试技术-第3章-光学测角技术1

率的测量，该测量方法标准不确定度一般可以达到10-5量级。
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§3.2 测角技术的应用
本方法实际上是通过测量角度来完成折射率的测量。偏折角的测量 误差包括下列因素： （1）度盘的刻线误差 ； （2）对准望远镜的对准误差 ； （3）读数显微镜的读数误差 。 偏折角的测量标准不确定度为：
d/2
调节望远镜俯仰调节螺钉向上 移动1/2d
望远镜主轴垂直于仪器转轴 -------用各 半调节法将绿十字像调至与上方叉丝重合， 反复调节，使两面的十字像均与上叉丝重 合。注意：此步以后望远镜水平调节螺丝 不可再动！
绿“十”反射像
上方叉丝
调节载物台
调节载物台水平 ----- 重新放置双面镜（与原位置 成90°）调节螺钉c使十字像与上方叉丝重合。
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§3.2 测角技术的应用
1、测量原理 精密测角仪上测量角度可以有两种不同的光路：方法一：只使用自
准直望远镜，用自准直望远镜分别对准构成棱镜角度的两个平面，测量
时工作台与度盘固定。当自准像与分划板本身刻线重合时，表示自准直
望远镜视轴与棱镜平面1法线重合。这时从度盘上可以得到一读数。转动
读数。
问题：使用前的调整？
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测角仪器使用前的调节
测量前应调节分光计满足三方面要求： ① 平行光管出射平行光，即提供无穷远目标 ② 望远镜调焦于无穷远 ③ 平行光管和望远镜的光轴共面，且应与载物台
旋转轴垂直
1、望远镜调焦到无穷远
①
目镜
调节要点
• 目测粗调: 望远镜与平行光管等高且其主轴 垂直于中心轴，载物台基本水平，各螺钉应 位于中间可调位置；
n02
)
n
sin 2 n02 2sin 2
4n(n2 n02 )
可得到：
u(n)
n02 n2
1
sin 2
2
2(n 2
n02
)
u 2 (n0 )
sin 2 2 (n02 sin 2 )2 16n2 (n2 n02 )2
u 2 ( )
用V棱镜折光仪测量光学材料折射率，实3.1 光学测量用的精密测角仪
一、精密测角仪概述 高精度测角技术中，利用计量光栅的测角技术发展最快。因为圆
周是封闭的，很容易采用全积分或多头读数法将圆光栅的刻划误差减 小，使测角系统具有更高的测角准确度。同时随着微电子技术的发展， 将光栅的一个刻线周期等分成数百或者上千份都是能办到的。因此可 以获得很高的角分辨率。计量光栅还具有信号强、反差大、非接触、 响应速度快、便于控制等优点，广泛应用于角度的精密计量中。按照 角度基准的不同，可以把测角仪分成： 第一代测角仪: 用光学度盘作为角度基准器，分辨率最高达0.1″， 不确定度最高为1″； 第二代测角仪: 用光栅数显转台作为角度基准器，分辨率最高 0.01″，不确定度最高为0.1″； 第三代测角仪: 用计算机控制的具有动态测角功能的精密测角仪， 经计算机修正后分辨率为0.01″左右，不确定度最高为0.3″。
450
1
2
大小取决于n、n0的偏差大小。根据 折射定律，有：
E
(n0 )
n0 sin 45 n sin(45 1)
n sin(45 1) n0 sin(45 2 )
B
(n0 )
C
n0 sin 2 sin
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§3.2 测角技术的应用
解上述方程，得：
1
n (n02 sin n02 sin 2 ) 2
平行光管：提供一束准直光 工作台：安置被测元件 望远镜：瞄准准直光经被测元件后的方向 光学度盘：测量原始准直光与经被测元件偏折后光束之间
的夹角（平行光管与望远镜光轴间夹角） 轴系：包括垂直转轴与水平转轴。水平轴、垂直轴用于保
证平行光管视轴位于望远镜绕主轴转动时扫过的平面中； 符合成像系统和读数显微镜：用于对度盘上的刻线对准并
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§3.2 测角技术的应用
4、测量误差
根据间接测量的标准不确定度传播律公式，折射率测量的标准不确定度
为：
u(n)
n n0
2
u
2
n0
n
2
u2
其中u(n0)是V棱镜材料的折射率测量的标准不确定度， u(θ)是偏折角测量 的标准不确定度。可以求得：
n
n0
n0 n
sin 2
1
2(n 2
七项指标中最主要的是折射率和双折射的测量。由于色散的 测量最终可以归结成折射率的测量，因此重点讨论折射率的测量 方法。
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§3.2 测角技术的应用
1、测量原理
以单色平行光垂直入射至V棱镜
(n)
AB面，由于待检玻璃与V棱镜折射 A
D
率不同，光线将发生偏折。n>n0，
光线向上偏折；n<n0 ，光线向下偏 折。出射光线与入射光线的夹角θ的
（2）在被测玻璃样品的两直角面涂上与样品折射率接近的折射液，将样 品放入V字形缺口中，并注意排除气泡；
（3）转动对准望远镜，找到平行光管目标线的像，并用瞄准双线与之对 准；
（4）用读数显微镜的测微目镜读出此时度盘位置的准确读数，经零位修 正后就是所要测量的角度θ；
（5）计算被测玻璃的折射率n。
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望远镜照准平面2后又可以得到一读数。两读数之差即为两工作面法线的
夹角 。很容易可以看出，被测角A为：A 180
工作台
自准直望远镜 ①
度盘
3
2
②
A
调平螺钉
①②
A
1
被测角度
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§3.2 测角技术的应用
2、使用前的调整
在精密测角仪上测量时，首先必须调整被测棱镜的位置，使组成被 测角的两平面的法线构成的平面与自准直望远镜的视轴平行。 目的：测量的角度是棱镜主截面内的角度。因此需要调节棱镜位置，使 组成被测角的两平面的法线构成的平面与自准直望远镜的视轴平行。 方法：自准直望远镜分别在平面1、2上照准时，同时得到在高低方向上 与分划线本身重合的自准像。
被测玻璃样品磨出构成90°的两个平面放在V形槽中。由于加 工误差，接触面之间可能出现空隙。因此需要采用折射液。采用 折射液后，样品表面只需精磨，无须抛光。
问题：如果不用折射液对测量结果有何影响？
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§3.2 测角技术的应用
V棱镜折光仪有 单色平行光管、 V棱镜、对准望 远镜、度盘、读 数显微镜构成。
)
1.00065
n sin(2 6.26080 ) 1.64750 2 2 sin2 (6.26080 )
41.701038 (1.701038 2 1.64750 2 )
0.4782
代入标准不确定度公式，得
u(n) (1.00065)2 (5106 )2 (0.47582)2 (30106 )2 1.5105
度盘 平行光管
转动测量台，对平面2重复刚
才的步骤，并读得第二个读
数。两个读数之差即为平面
②
1、2之间的夹角。
A
自准直望远镜
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§3.2 测角技术的应用
2、测量前的调整
目的：平行光管光轴与望远镜光轴共平面；两个光轴所决定的平面即 为被测棱镜的主截面。 方法：对望远镜调焦，能从望远镜视场中看到平行光管分划板清晰的 自准像；
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§3.2 测角技术的应用
方法二：
1、原理: 调节望远镜和平行光管之间的相对位置，使两者光轴共平面，
并成一锐角。转动测量台，从望远镜中可以看到平行光管分划板经
平面1反射后的像，并使反射像与望远镜视场中心的刻划像重合，表
明被测平面的法方向平分望远镜和平行光管光轴组成的锐角。
从分度盘上读得一角度读数；
u u12 2u22 2u32
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§3.2 测角技术的应用
现假设有一次测量，得到θ=6.2608°，已知n0=1.64750。计算得到 n=1.701038。设：
n 1.64750
sin2 (6.26080)
n 0
1.701038
1
2 (1.7010382
1.647502
用望远镜对准平行光管，使平行光管分划板像落在望远镜视场中间， 与望远镜分划板重合；转动平行光管和望远镜，如果两个像在铅垂方向 上的相对位置没有变化，则表明平行光管光轴与望远镜光轴共平面。
在测量台上放上棱镜，调节棱镜的位置，使平行光管分划板经棱镜 被测面反射、经望远物镜成像后的像落在望远镜中心。这样两个光轴所 决定的平面即为被测棱镜的主截面。
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§3.2 测角技术的应用
3、测量方法
（1）调节仪器零位，即当对准望远镜直接瞄准来自平行光管的没有偏折 的光线时，读数应该是0°。本仪器带有一块校正零位用的标准玻璃块， 是从制造V棱镜的同一块玻璃上切割下来的。调整零位时，将标准玻璃块 放在V字形缺口里，并加上折射率与已知n0接近的折射液。这时入射光线 通过时应不发生偏折。用望远镜对准平行光管的目标线像，此时的读数 即为仪器零位；
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3
§3.1 光学测量用的精密测角仪
二、常见的测角仪器 工厂和实验室广泛使用秒级不确定度的精密测角仪。这类测
角仪由自准直望远镜、工作台、平行光管、光学度盘、符合成像 系统、轴系和读数显微镜等几部分组成，如图所示：
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平行光管
载物台
望远镜 游标盘 刻度盘
§3.1 光学测量用的精密测角仪
狭缝 锁紧螺钉
俯仰调节螺钉
①
②
松开狭缝锁紧螺钉 前后移动狭缝
转动狭缝 调节平行光管俯仰调节螺钉
③
转动狭缝 锁住狭缝锁紧螺钉
读数方法
10
68
6810
68
§3.2 测角技术的应用
一、在精密测角仪上测量棱镜的角度
特殊棱镜，以及光学冷加工中使用的各种光学角 度样板，除30°、45°、60°、90°标准角度的棱 镜可以使用自准直法测量标准角度外，通常都要在 精密测角仪上测量角度。
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§3.2 测角技术的应用
平行光管：提供一束单色平行光，其分划板的刻线是透光宽缝 中的一条细线；
对准望远镜：用于对准平行光管的目标经V棱镜和被测玻璃后的 像。对准望远镜和度盘连在一起旋转；
读数显微镜：用来读出度盘转角的读数。仪器度盘的分划格值 为1°，利用读数显微镜本身的测微目镜细分，可以读到0.001°。
调节平行光管 平行光管由狭缝和准直透镜组成。
3、调节平行光管与分光计中心轴垂直
调节平行光管出射平行光---拿掉双面镜，移动狭 缝头，使狭缝像最清晰。
调节平行光管与望远镜共轴---转动狭缝套筒使狭 缝水平，调节平行光管水平调节螺丝，使狭缝像与 分划板中部的水平叉丝重合，再将狭缝套筒恢复至 竖直状态。
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§3.2 测角技术的应用
二、光学玻璃折射率的测量 光学玻璃是最常见的光学材料。对材料的要求包括：准确的
光学常数、高度的均匀性、高度的透明性三项。为保证这些要求 得到满足，国标对无色光学玻璃提出了七项质量指标： 折射率、色散系数对标准数值的允许差值； 同一批玻璃中折射率、色散系数的最大差值； 双折射； 条纹度； 气泡度； 光学均匀性； 光吸收系数。
光学测试技术
第三章 光学测角技术
2020年5月1日
§3.1 光学测量用的精密测角仪
角度计量是计量科学的重要组成部分，也是光学测量的 重要组成部分。因为光学测量中所涉及的许多量是可以通过 测量角度后间接得到的，如玻璃的折射率、光学系统的焦距、 光电瞄具的多光轴一致性、自聚焦透镜的数值孔径等。
精密测角仪是实现任意高精度测量的重要仪器之一，也 是光学测量实验室的基本仪器。测角仪的关键部件是圆分度 器件。圆分度是指对圆周的分度，角度测量就是使被测角与 圆分度进行比较。实现圆分度的器件有很多种，最常用的是 度盘，其他的还有多面体、圆光栅、光学轴角编码器、感应 同步器等。
其中，当n>n0时；即光线向上偏折，上式取“+”号； 当n<n0时，即光线向下偏折， 上式取“-”号。
可见对折射率的测量最后变成了对角度的测量。
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§3.2 测角技术的应用
2、测量仪器 采用了V棱镜折光仪。V棱镜折光仪是一块带有V字形缺口的
长方形棱镜，由两块材料完全相同、折射率均为n0的直角棱镜胶合 而成。V字形缺口的张角为90°，两个尖棱的角度为45°。
• 望远镜调焦于无穷远 ：调望远镜目镜（使叉 丝和绿框中的十字最清），放上双面镜（放 法如图），找反射回的十字像，调节目镜套 筒位置至十字像清晰无视差。（通过旋转载 物台）旋转双面镜，反复调节至两面的绿十 字像均进入视场。
2、望远镜的光轴与分光计中心旋转轴垂直
d
调节载物盘水平调节螺钉a和b向上移动1/2d