光学测量的基本知识

光学测量的基本知识
一.典型的光学测试装置-----光具座
光具座的类型一般以其上的平行光管EFL的长短来区分,例如: GXY---08A型之EFL=1200mm.
我们的光具座:MSFC---Ⅳ型有3个准直镜头,
EFL1=550mm,F/NO=10
EFL2=200.61mm,F/NO=4
EFL3=51.84mm,F/NO=4 其组成如下:1.平行光管. 2.透镜夹持器. 3.V型座. 4测量显微镜.
5.导轨底座.
6.光源.
7. 光源变压器.
8.光源调压器.
9.附件.
1.平行光管
又称准直仪,它的作用是提供无限远的目标或给出平行光.其组成如下:
物镜EFL=550mm 分划板
分划板的形式有多种,例如(1)十字或十字刻度分划板,(2)分辨率板,(3)星点板,
(4)玻罗板(PORRO).
2.透镜夹持器
用来夹持被测镜片或镜头,並保持光轴的一致性.
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3.V型座
用来放置EFL=200.61mm和EFL=51.84mm准直物镜, 並保持光轴一致性.
4.测量显微镜
是一个带有目镜测微器的显微镜. 用来进行各种测量. 目镜测微器有多种.最常用的是螺杆目镜测微器,其螺距为0.02mm,则每格值为
0.002mm.
5.导轨底座
导轨很精密,用它把1.平行光管. 2.透镜夹持器. 3.V型座. 4测量显微镜等联在一起,称为光具座.
6.附件:各种倍数和不同数值孔径的显微镜物镜,各种分划板.
光具座主要测量(1)正,负透镜和照相物镜,望远物镜的焦距(EFL).
(2)正,负透镜和照相物镜,望远物镜的截距(BFL)
(3)检测照相物镜,望远物镜的分辨率.
(4)检测照相物镜,望远物镜的星点.
(5) 照相物镜,望远物镜的F/NO.
(6)加上其它光学器件和机械装置,可以组成多种
光学测量装置.
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一.焦距(EFL)的测量
光学系统和透镜的重要参数---焦距(EFL),迄今已有多种行之有效的测量方法.
1.放大率法.
2.自准直法.
3.附加透镜法.
4.精密测角法.
5. 附加接筒法.
6.固定共軛距离法.
7. 附加已知焦距透镜法.
8.反转法.
9.光栅法.
10.激光散斑法.11.莫尔条纹同向法.
(一)放大率法测量原理
是目前最常用的方法,主要用于测量望远物镜,照相物镜,目镜的焦距(EFL)和后截距(BFL).也可以用于生产中检验正,负透镜的焦距(EFL)
和后截距(BFL).
被测透镜或物镜位于平行光管前, 平行光管物镜焦面上分划板的一对刻线就成像在被测物镜的焦面上.这对刻线的间距y和它的像的间
距y¹与平行光管物镜焦距f c和被测物镜的焦距f¹有如下关系:
y¹/y = f¹/f¹
c 或 f¹ = f¹
c
(y¹/y)
必须指出,由于负透镜成虚像,用测量显微镜观测这个像时, 显微镜的工作距离必须大于负透镜的焦距.
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(二)一种简易测量焦距的方法
在没有光具座的情况下,可用下面简易方法,但精度差.
方法:用两次测量不同物距上被测物镜的横向放大率求焦距.
根据高斯公式: F*=βX=-X*/β可得
F*=E/γ2-γ1
γ1=1/β1=Y1/Y1 , γ2=1/β2=Y2/Y2*
A. 这种方法存在理论误差,必须要加以修正. 修正系数为:√1+(H/F*)2,所
以:
F*实际=F*×√1+(H/F*)2
B. 镜头的球差对测量有很大影响,所以测出的焦距值是近似值.
C. 测量人员的技术和对E,Y1,Y2,Y1*,Y2*测量的准确性非常重要,否则测
出的焦距值将远远偏离真正值,而不能相信和使用.
D. 焦距的准确测量,必须在光具座上用其它方法进行.
E. 为了用这种方法测量, 必须有以下设备:简易导轨,夹持器,白色屏幕,有
毫米刻度的物,精度为0.01mm的长度量测仪器.
F. 要多次重复量测,取平均值.
二.星点检验
(一)原理
星点检验法是对光学系统进行像质检验的常用方法之一,在光学系统设计,制造及使用中,人们关心的是其像质,並希望将像质与各种影响
因素联系起来,借以诊断问题,提出改进措施, 星点检验在一定程度上可
胜任上述工作.
光学系统对非相干照明物体或自发光物体成像时,可将物光强分布看成是无数多个具有不同强度的独立发光点的集合,每一个发光点经
光学系统后,由于衍射和像差以及工艺庇病的影响,在像面处得到的星点
像光强分布是一个弥散斑,即点扩散函数(PSF).
像面光强分布是所有星点像光强的叠加结果.因此, 星点像光强
分布规律决定了光学系统成像的清晰程度,也在一定程度上反映了光学
系统成像质量.上述点基元观点是进行星点检验的依据.
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按点基元观点,通过考察一个点光源(星点)经过光学系统所成像,以及像面前后不同截面衍射图形的光强变化及分布,定性地评价光学系统成像质量,即是星点检验法.
上面图形是艾里斑光强分布.
(二)星点检验装置
1.平行光管,
2.光源,
3.星孔(星点板),
4.观察显微镜.
对平行光管的要求:物镜像质要好,通光孔径要大于被检镜头
.并用聚光镜照明星孔.
星孔直径应小于:D max=0.61λf¹/D其中D---被检镜头入瞳直径
f¹---平行光管物镜焦距
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对观察显微镜的要求: 数值孔径NA等于或大于被检镜头的像方
孔径角. 显微镜总放大率应为:
Γ=(250~500)D/f¹.
D/f¹---被检镜头的相对孔径.
星点检验能判定: (1)光学系统的共轴性
(2)球差
(3)位置色差
(4)慧差
(5)像散
(6)其它工艺疪病
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四．分辨率检测
分辨率检测可给出像质的数字指标，容易测量与比较。

对于像差较大的光学系统，分辨率会随着像差增大而有明显的变化。

由于分辨率检测的灵敏度不如星点法，以其评价像质具有局限性。

但因其检测装置简单，可定量测量，且比较直观，故仍是检测光学系统像质的方法之一。

（一）原理
一发光物点经衍射受限系统成的像为一艾里斑，两个靠得很近的独立发光物点的艾里斑，其重叠部分的光强为两个艾里斑光强之和。

分辨两个衍射斑的前提条件是其重叠部分的光强对比度k应大于人眼的对比灵敏度。

其判断标准如下：
1．瑞利判断-----分辨条件是k =15%，两衍射斑的中心距为：
σ=1.22λF
.2. 道斯判断-----分辨条件是k =2.6%，两衍射斑的中心距为：
σ=1.02λF
.3.斯派罗判断-----分辨条件是k =0，两衍射斑的中心距为：
σ=0.95λF
通常以道斯判断作为光学系统的目视衍射分辨率或称理想分辨率.
1.望远系统
a=1.02λF/D
2.照相物镜
N=1/1.02λF
3显微系统
ε=1.02λ/2NA
（二）分辨率图案（省略）
（三）分辨率的检测
1．望远系统分辨率的检测
（1）检测望远物镜的分辨率
检测装置：光具座: 分辨率板+平行光管+夹持器+观测显微镜
通过观测显微镜看栅格分辨率板,逐组分辩,直到将能分清某
单元4个方向上的线条,而下一个单元线条不能全分辨为止.
依据该单元线条宽度和平行光管焦距,求得远物镜的分辨率.
a=2b×10-3×260265”/f c¹2
(2) 检测望远系统的分辨率
检测装置：光具座: 分辨率板+平行光管+夹持器+前置镜
方法同上.
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2.照相物镜分辨率的检测
(1) 在光具座上检测目视分辨率
检测装置：光具座: 分辨率板+平行光管+夹持器+观测显微镜
测轴上点时,方法同上.
N=N0f¹c/f¹(m m-1)
N0=1000/2b
测轴外点时,须将被检物镜的后节点调到夹持器的转
轴上,转动夹持器以获得视场角ω的斜光束入射,同时
要把观测显微镜后移一个距离Δ,
Δ=[(1/cosω)-1]f¹
N t=(1/2b t)(f c¹/f¹)cos2ω
N s=(1/2b s)(f c¹/f¹)cosω
五.入瞳直径测量(EPD)
入瞳直径不能直接进行测量,必须在光具座上进行,並且方法比较复杂.
现在介绍一种简易方法,近似地测量出入瞳直径的大小.装置如图:
1-光源, 2-微小光栏孔, 3-被测物镜, 4-屏幕.
测出屏幕上圆孔像的直径(单位:mm)大小,它近似地为入瞳大小.
F/NO的计算
F/NO = 圆孔像的直径/F*实际
计算出的F/NO为被测物镜F/NO之近似值.
予飞制作
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