光電測試技術Electro-opticalTestTechnique光電測試技術Electro-opticalTestTecChapter3

TestTechniquesofOpticalElementCharacteristicsChapter3TestTechniquesof▍本章主要內(nèi)容光學材料特性測試

光學元件面型測試技術

微光學元件參數(shù)測試

自聚焦透鏡參數(shù)測試▍本章主要內(nèi)容光學材料特性測試光學元件面型測試技術微光2022/12/244§3-1光學材料特性測試

2022/12/164§3-1光學材料特性測試§3-1光學材料特性測試光學材料的特性在很大程度上影響光學系統(tǒng)性能和質(zhì)量。折射光學材料：光學玻璃：無色光學玻璃有色光學玻璃特種光學玻璃乳白玻璃耐輻射玻璃隔熱玻璃透氣玻璃等光學晶體：紅外材料非線性光學材料光學功能材料（如液晶）光學塑料2022/12/245反射介質(zhì)材料:主要是選擇剛性基板：金屬（如鋁、鈹）；非金屬（如光學玻璃、微晶玻璃）；復合材料（如Si、SiC）等?！?-1光學材料特性測試光學材料的特性在很大程度上影響光學2022/12/246§3-1光學材料特性測試無色光學玻璃含7項質(zhì)量指標：折射率nd及色散系數(shù)νd對標準值的偏差；同批玻璃中折射率和色散系數(shù)的最大差值；光學均勻性；雙折射；條紋度；氣泡度；光吸收系數(shù)。1.光學玻璃折射率的測量n(T,P,λ)①Ｖ棱鏡法——約為10-5—專用儀器2022/12/166§3-1光學材料特性測試無色光學玻璃2022/12/247§3-1光學材料特性測試1.光學玻璃折射率的測量②自準直法——優(yōu)于Ｖ棱鏡法—重復性和效率2022/12/167§3-1光學材料特性測試1.光學玻2022/12/248§3-1光學材料特性測試1.光學玻璃折射率的測量③最小偏向角法——精度最高具有測量精度高、被測折射率的大小不受限制、不需要已知折射率的標準試件而能直接測出被測材料折射率等特點2022/12/168§3-1光學材料特性測試1.光學玻2022/12/249§3-1光學材料特性測試1.光學材料折射率的測量④全反射臨界角法

n0>n阿貝折射儀：可測量透明、半透明液體和固體2022/12/169§3-1光學材料特性測試1.光學材2022/12/2410§3-1光學材料特性測試2.色散系數(shù)的測量光學材料由于光的波長不同而引起折射率的變化的現(xiàn)象稱為色散，色散系數(shù)計算式為：nd、nF、nc分別為波長等于587.6nm（氦黃）、486.1nm（氫藍）和656.3nm（氫紅）時的折射率。應用折射率測試方法，分別測出對應各種波長的材料的折射率，即可算出材料的色散系數(shù)和相對色散系數(shù)。2022/12/1610§3-1光學材料特性測試2.色散系2022/12/2411§3-1光學材料特性測試3．光學玻璃均勻性測試——干涉測量法不同部位透過率、折射率等性能變化情況稱為光學均勻性。d為條紋的平均間距，k為偏離直條紋的彎曲量，t為被測樣品厚度。2022/12/1611§3-1光學材料特性測試3．光學玻2022/12/2412§3-1光學材料特性測試4．光學玻璃條紋度的測量條紋度表示玻璃中因折射率顯著不同而造成的透明的、絲狀的或?qū)訝畹蔫Υ贸潭?，一般是由于條紋部分和玻璃本身的成分不同引起的。測量后的玻璃按照國家標準的規(guī)定進行條紋度的分類定級。2022/12/1612§3-1光學材料特性測試4．光學玻2022/12/2413§3-2光學元件面型測試技術2022/12/1613§3-2光學元件面型測試技術2022/12/24141.刀口陰影法檢驗1858年由傅科（Foucoult）提出，所以又稱為傅科刀口法。當時是用于天文望遠鏡的大口徑反射鏡的檢驗。用于測量光學零件表面的面形偏差和光學系統(tǒng)的波像差。通過波像差和幾何像差的轉(zhuǎn)換關系，也可測量光學系統(tǒng)的幾何像差。優(yōu)點：設備簡單；非接觸檢驗方法；有極高的直觀靈敏度。實踐表明，在一般觀察條件下，觀察者不難發(fā)現(xiàn)λ/20的波面局部誤差和帶區(qū)誤差，但這是指垂直刀刃方向的靈敏度，平行刀刃方向的靈敏度為零?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16141.刀口陰影法檢驗§3-2光§3-2光學元件面型測試技術2022/12/24151.刀口陰影法檢驗1.1理想球面波的陰影圖及其變化規(guī)律對于理想球面，所有光線都會聚于球心O。如果觀察者的眼睛位于球心O點附近，使所有會聚光線進入眼睛，可以看到一個均勻明亮的視場，其范圍由被測件邊緣所限制。當?shù)犊谧杂蚁蜃笠苿忧懈罟馐鴷r：當?shù)犊谡梦挥诠馐鴷埸cO處（位置N2），本來是均勻照亮的視場變暗了一些，但是亮度仍然是均勻的（陰影圖M2）；當?shù)犊谖挥诠馐稽c的前面（圖中N1處），暗區(qū)從右向左擴展（陰影圖M1）；當?shù)犊谖挥诠馐稽cO之后(圖中N3處)，暗區(qū)從左向右擴展（陰影圖M3）。刀口陰影法原理N1N2N3M3M2M1M4ACBO§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16151.2022/12/24161.刀口陰影法檢驗1.1理想球面波的陰影圖及其變化規(guī)律刀口與光束會聚點的相對位置以及刀口橫向移動時陰影圖的變化可以概括為三個判斷準則：陰影與刀口同方向移動，則刀口位于光束會聚點之前。如果這是局部區(qū)域的陰影圖，則相對于刀口為中心的球面波而言，該區(qū)域是凸起的。陰影與刀口反方向移動，則刀口位于光束會聚點之后。如果這是局部區(qū)域的陰影圖，則相對于刀口為中心的球面波而言，該區(qū)域是凹陷的。陰影圖某部位（全現(xiàn)場或局部）呈現(xiàn)均勻的半暗狀態(tài)，則刀口正好位在該區(qū)域光束的交點處。§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16161.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24171.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理設x1oy1平面為理想波面W會聚的近軸平面，刀口的邊緣線到主光線交點o的距離為r1，y1軸與刀口之間的夾角為θl。刀口的邊緣線可表示為于是可得該平面上的透射比為y1x1r1oθ1在近軸平面上的刀口位置示意圖§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16171.刀口陰影法檢驗y1x1r1o2022/12/24181.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理根據(jù)波象差W與在x1oy1面上的橫向像差的關系式把上式改寫為陰影圖的形狀決定于分界線：§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16181.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24191.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：離焦誤差其波像差為陰影邊界線為（直線）設刀口平行于y軸，（平行y軸的直線）§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16191.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24201.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：離焦誤差當D＜0即刀口放在焦點以內(nèi)時，若刀口從右向左切割光束，即隨著r1減小，陰影線從右向左沿x軸平移（與刀口同方向）；當D＞0即刀口放在焦點以外時，刀口仍然從右向左切割光束，即隨著r1減小，陰影線從左向右沿x軸平移（與刀口反方向）；當D=0即刀口放在焦點上時，陰影線就不存在了，在刀口切割光束時，視場內(nèi)是均勻的（亮變暗，過程較短）。當r1＝0，即刀口與光軸接觸時，這時不論D值的大小、正負如何，陰影圖都正好是一半亮一半暗?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16201.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24211.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：球差+離焦誤差這是一個三次曲線。球差和離焦的波面是回轉(zhuǎn)對稱的，刀口從不同方向切割光束，陰影圖的方向會改變，而形狀是不變的?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16211.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24221.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：球差+離焦誤差刀口平行于x軸yyyxyxyxya)刀口位于邊緣焦點前b）刀口位于近軸焦點前c）刀口位于邊緣焦點后§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16221.刀口陰影法檢驗yyyxyxy2022/12/24231.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：球差+離焦誤差再假設刀口位于光軸上，即r1＝0ya)b)c)d)a)邊緣焦點后xyxyxyxyb)邊緣焦點和近軸焦點之間c)近軸焦點前d)近軸焦點處§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16231.刀口陰影法檢驗ya)b)2022/12/24241.刀口陰影法檢驗1.3刀口儀的光路和結構用陰影法觀察波面誤差，光路的安排有自準直和非自準直兩種。自準直和非自準直光路所看到的陰影圖基本相同，但進行定量檢驗時必須考慮到自準直光路光光線兩次通過被測系統(tǒng)，因此波面誤差加倍。圖示為自準直刀口儀鏡管的光路圖。自準直刀口儀光路圖60°30°小孔光闌轉(zhuǎn)盤聚光鏡燈泡調(diào)節(jié)螺釘被測件刀片刀刃濾光片§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16241.刀口陰影法檢驗自準直刀口儀光2022/12/24252.子孔徑拼接測試技術2.1孔徑拼接測試技術基本原理JamesWyant等人在1981年測量大平面鏡時提出的，是一種低成本、高分辨率檢測大口徑光學元件的有效手段?；舅枷胧恰耙孕y大”，當被測平面光學元件尺寸超過干涉儀口徑或者所測非球面產(chǎn)生的干涉條紋密度大于CCD空間§3-2光學元件面型測試技術

分辨率時，利用小口徑干涉儀每次僅檢測整個光學元件的一部分區(qū)域，待完成全孔徑測量后，再使用適當?shù)乃惴ā捌唇印本涂傻玫饺讖矫嫘涡畔ⅰ?022/12/16252.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24262.子孔徑拼接測試技術2.2數(shù)學優(yōu)化處理方法其基本原理在于用干涉方法分別測量整個大孔徑面形的一部分，并使各子孔徑相互之間稍有重疊，然后從重疊區(qū)提取出相鄰子孔徑的參考面之間的相對平移、旋轉(zhuǎn)，并依次把這些子孔徑的參考面統(tǒng)一到某一指定的參考面，從而恢復出全孔徑波面。關鍵技術：子口徑劃分方法拼接算法§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16262.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24272.子孔徑拼接測試技術2.3子孔徑拼接技術應用例被測件是一塊平面環(huán)狀K9玻璃鏡，外徑為150mm，內(nèi)徑32mm。利用ZYGOGPI干涉儀的６吋（152mm）鏡頭進行全口徑測量的結果為：PV=1.84λ，RMS=0.225λ，其中λ常取632.8nm。采用9個子孔徑拼接方案?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16272.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24282.子孔徑拼接測試技術2.3子孔徑拼接技術應用例§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16282.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24292.子孔徑拼接測試技術2.3子孔徑拼接技術應用例§3-2光學元件面型測試技術串行模式的拼接結果(PV=2.0647λ，RMS=0.1715λ)并行模式的拼接結果(PV=1.837λ，RMS=0.2298λ)2022/12/16292.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24302.子孔徑拼接測試技術2.3子孔徑拼接技術應用例子孔徑拼接測量對設備精度要求很高，如何消除拼接測量過程中的誤差累積，尤其對非球面拼接測量的誤差修正是干涉拼接測量所面臨的主要問題。此外，子孔徑的劃分、子孔徑波面數(shù)據(jù)的采集和子孔徑擬合拼接的數(shù)據(jù)處理方法等是子孔徑拼接測量方法的關鍵技術。§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16302.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24313.自由曲面的面型測試技術自由曲面沒有嚴格明確的定義，通常指非回轉(zhuǎn)對稱、不規(guī)則、根據(jù)所需要求自由構造的曲面，在數(shù)學上一般使用解析形式或者離散數(shù)據(jù)點進行描述。與傳統(tǒng)的球面和非球面相比，自由曲面具有更好的設計自由度，有時用一片自由曲面透鏡就可以代替幾片球面透鏡的組合獲得同樣甚至更好的成像質(zhì)量，這使得光學系統(tǒng)的重量和體積大大減小?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16313.自由曲面的面型測試技術§3-2022/12/24323.自由曲面的面型測試技術目前自由曲面光學元件已經(jīng)廣泛應用于數(shù)碼攝影鏡頭、激光打印機和掃描儀鏡頭、衍射光學器件、車燈的反射鏡和燈罩、平面顯示器的導光板等產(chǎn)品。比如，含有自由曲面光學元件的投影系統(tǒng)，用自由曲面代替非球面使得系統(tǒng)厚度更小，視場更大；含有自由曲面光學元件的照明系統(tǒng)獲得了更高的照明效率和照明均勻度。自由曲面光學元件盡管有其突出的優(yōu)點，但遠遠不能進入到現(xiàn)代光學系統(tǒng)的主流中，原因就是光學自由曲面面形描述復雜，使得自由曲面光學元件在設計、加工以及檢測過程中都存在著很多的技術難點?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16323.自由曲面的面型測試技術§3-2022/12/24333.自由曲面的面型測試技術3.1三坐標測量法接觸式三坐標測量法幾乎能測量任何類型的自由曲面面形，但通常其精度有限，高精度的三坐標測量精度能達到0.3μm以下，這一精度可滿足普通光學成像系統(tǒng)的要求。采用激光位移傳感器作為探頭，發(fā)展趨勢?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16333.自由曲面的面型測試技術§3-2022/12/24343.自由曲面的面型測試技術3.2計算機全息圖法測量自由曲面計算全息法（CGH）理論上具有生成幾乎任何形狀波前的能力，使得它可結合激光干涉儀對自由曲面進行零位補償光學測量，同時具有高效率和高精度的優(yōu)點，是自由曲面等無回轉(zhuǎn)對稱性的光學表面較為理想的測量方法。非接觸式自由曲面測量技術如：子孔徑拼接干涉法、投影光柵法、激光三角法、全息法、深度圖像三維測量法、逐層掃描測量法等，已成為自由曲面測量的重要發(fā)展方向?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16343.自由曲面的面型測試技術§3-2022/12/2435§3-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/1635§3-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/2436衍射光學元件是利用計算機設計衍射圖樣，并通過微電子加工技術在光學材料表面制作浮雕的元件。衍射光學元件具有可以靈活地控制波前、可以集成多種功能于一體和可復制的優(yōu)良特性，使光學系統(tǒng)及器件向輕型化、微型化和集成化發(fā)展?！?-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/1636衍射光學元件是利用計算機設計衍射圖樣2022/12/2437§3-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/1637§3-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/2438微反/透鏡陣列復眼透鏡、光調(diào)制器、近場顯示器、三維顯示、勻光器件、防偽、光場相機、光場測量……§3-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/1638微反/透鏡陣列§3-3微光學元件2022/12/24391.衍射光學元件衍射效率測試衍射光學元件的衍射效率是通過含有衍射光學元件的折衍射混合光學系統(tǒng)的主衍射級次光通量Φ１與通過折衍射混合光學系統(tǒng)的總光通量Φ之比來描述的?！?-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/16391.衍射光學元件衍射效率測試§32022/12/24402.衍射光學元件表面形貌測量常用的適用于衍射光學元件表面形貌的測量技術采用干涉測量——移相干涉測量技術。§3-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/16402.衍射光學元件表面形貌測量§32022/12/24413.微透鏡陣列焦距測量主要測量方法有：基于光柵剪切干涉測量法、基于光柵多縫衍射原理的分光法、基于清晰度定焦評價函數(shù)的圖像處理法、基于哈特曼波前檢測原理的測量法等。剪切干涉法測量微鏡陣列焦距?！?-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/16413.微透鏡陣列焦距測量§3-32022/12/2442§3-4自聚焦透鏡參數(shù)測試2022/12/1642§3-4自聚焦透鏡參數(shù)測試2022/12/2443自聚焦透鏡（GrinLens）又稱為梯度變折射率透鏡，其折射率分布沿徑向漸變，具有聚焦和成像功能。由于梯度折射率透鏡具有端面準直、耦合和成像特性，加上它圓柱狀小巧的外形特點，在集成光學領域有著廣泛的應用?！?-4自聚焦透鏡參數(shù)測試2022/12/1643自聚焦透鏡（GrinLens）又稱2022/12/24441.自聚焦透鏡折射率分布測試焦距工作距離需測量焦距f、工作距離S和自身長度t?！?-4自聚焦透鏡參數(shù)測試2022/12/16441.自聚焦透鏡折射率分布測試§3-2022/12/24451.自聚焦透鏡折射率分布測試焦距測量——類似普通透鏡（可用放大率法）§3-4自聚焦透鏡參數(shù)測試2022/12/16451.自聚焦透鏡折射率分布測試§3-2022/12/24461.自聚焦透鏡折射率分布測試工作距離自聚焦透鏡長度：工具顯微鏡測量焦距法測量自聚焦透鏡的折射率分布常數(shù)，其測量不確定度可達

§3-4自聚焦透鏡參數(shù)測試2022/12/16461.自聚焦透鏡折射率分布測試§3-2022/12/24472.自聚焦透鏡周期長度的測量自聚焦透鏡的周期長度是指在自聚焦透鏡中，光束沿正弦軌跡傳播完成一個正弦波周期的長度。自聚焦透鏡的周期長度在實際應用中是一個極為重要的光學參數(shù)，對于生產(chǎn)和使用的單位來說，可以由已知的周期長度來確定自聚焦透鏡的其他許多光學參數(shù)，因而顯得更加重要。§3-4自聚焦透鏡參數(shù)測試2022/12/16472.自聚焦透鏡周期長度的測量§3-2022/12/24482.自聚焦透鏡周期長度的測量一束平行光垂直入射到半徑為R的自聚焦透鏡上，光束在透鏡內(nèi)傳播，其半徑由下式確定對某一確定長度t的自聚焦透鏡，測出自聚焦透鏡出射端光斑半徑，就可以算出周期長度。裝置同焦距測量?！?-4自聚焦透鏡參數(shù)測試2022/12/16482.自聚焦透鏡周期長度的測量§3-EndEnd光電測試技術Electro-opticalTestTechnique光電測試技術Electro-opticalTestTecChapter3

TestTechniquesofOpticalElementCharacteristicsChapter3TestTechniquesof▍本章主要內(nèi)容光學材料特性測試

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自聚焦透鏡參數(shù)測試▍本章主要內(nèi)容光學材料特性測試光學元件面型測試技術微光2022/12/2453§3-1光學材料特性測試

2022/12/164§3-1光學材料特性測試§3-1光學材料特性測試光學材料的特性在很大程度上影響光學系統(tǒng)性能和質(zhì)量。折射光學材料：光學玻璃：無色光學玻璃有色光學玻璃特種光學玻璃乳白玻璃耐輻射玻璃隔熱玻璃透氣玻璃等光學晶體：紅外材料非線性光學材料光學功能材料（如液晶）光學塑料2022/12/2454反射介質(zhì)材料:主要是選擇剛性基板：金屬（如鋁、鈹）；非金屬（如光學玻璃、微晶玻璃）；復合材料（如Si、SiC）等?！?-1光學材料特性測試光學材料的特性在很大程度上影響光學2022/12/2455§3-1光學材料特性測試無色光學玻璃含7項質(zhì)量指標：折射率nd及色散系數(shù)νd對標準值的偏差；同批玻璃中折射率和色散系數(shù)的最大差值；光學均勻性；雙折射；條紋度；氣泡度；光吸收系數(shù)。1.光學玻璃折射率的測量n(T,P,λ)①Ｖ棱鏡法——約為10-5—專用儀器2022/12/166§3-1光學材料特性測試無色光學玻璃2022/12/2456§3-1光學材料特性測試1.光學玻璃折射率的測量②自準直法——優(yōu)于Ｖ棱鏡法—重復性和效率2022/12/167§3-1光學材料特性測試1.光學玻2022/12/2457§3-1光學材料特性測試1.光學玻璃折射率的測量③最小偏向角法——精度最高具有測量精度高、被測折射率的大小不受限制、不需要已知折射率的標準試件而能直接測出被測材料折射率等特點2022/12/168§3-1光學材料特性測試1.光學玻2022/12/2458§3-1光學材料特性測試1.光學材料折射率的測量④全反射臨界角法

n0>n阿貝折射儀：可測量透明、半透明液體和固體2022/12/169§3-1光學材料特性測試1.光學材2022/12/2459§3-1光學材料特性測試2.色散系數(shù)的測量光學材料由于光的波長不同而引起折射率的變化的現(xiàn)象稱為色散，色散系數(shù)計算式為：nd、nF、nc分別為波長等于587.6nm（氦黃）、486.1nm（氫藍）和656.3nm（氫紅）時的折射率。應用折射率測試方法，分別測出對應各種波長的材料的折射率，即可算出材料的色散系數(shù)和相對色散系數(shù)。2022/12/1610§3-1光學材料特性測試2.色散系2022/12/2460§3-1光學材料特性測試3．光學玻璃均勻性測試——干涉測量法不同部位透過率、折射率等性能變化情況稱為光學均勻性。d為條紋的平均間距，k為偏離直條紋的彎曲量，t為被測樣品厚度。2022/12/1611§3-1光學材料特性測試3．光學玻2022/12/2461§3-1光學材料特性測試4．光學玻璃條紋度的測量條紋度表示玻璃中因折射率顯著不同而造成的透明的、絲狀的或?qū)訝畹蔫Υ贸潭?，一般是由于條紋部分和玻璃本身的成分不同引起的。測量后的玻璃按照國家標準的規(guī)定進行條紋度的分類定級。2022/12/1612§3-1光學材料特性測試4．光學玻2022/12/2462§3-2光學元件面型測試技術2022/12/1613§3-2光學元件面型測試技術2022/12/24631.刀口陰影法檢驗1858年由傅科（Foucoult）提出，所以又稱為傅科刀口法。當時是用于天文望遠鏡的大口徑反射鏡的檢驗。用于測量光學零件表面的面形偏差和光學系統(tǒng)的波像差。通過波像差和幾何像差的轉(zhuǎn)換關系，也可測量光學系統(tǒng)的幾何像差。優(yōu)點：設備簡單；非接觸檢驗方法；有極高的直觀靈敏度。實踐表明，在一般觀察條件下，觀察者不難發(fā)現(xiàn)λ/20的波面局部誤差和帶區(qū)誤差，但這是指垂直刀刃方向的靈敏度，平行刀刃方向的靈敏度為零。§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16141.刀口陰影法檢驗§3-2光§3-2光學元件面型測試技術2022/12/24641.刀口陰影法檢驗1.1理想球面波的陰影圖及其變化規(guī)律對于理想球面，所有光線都會聚于球心O。如果觀察者的眼睛位于球心O點附近，使所有會聚光線進入眼睛，可以看到一個均勻明亮的視場，其范圍由被測件邊緣所限制。當?shù)犊谧杂蚁蜃笠苿忧懈罟馐鴷r：當?shù)犊谡梦挥诠馐鴷埸cO處（位置N2），本來是均勻照亮的視場變暗了一些，但是亮度仍然是均勻的（陰影圖M2）；當?shù)犊谖挥诠馐稽c的前面（圖中N1處），暗區(qū)從右向左擴展（陰影圖M1）；當?shù)犊谖挥诠馐稽cO之后(圖中N3處)，暗區(qū)從左向右擴展（陰影圖M3）。刀口陰影法原理N1N2N3M3M2M1M4ACBO§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16151.2022/12/24651.刀口陰影法檢驗1.1理想球面波的陰影圖及其變化規(guī)律刀口與光束會聚點的相對位置以及刀口橫向移動時陰影圖的變化可以概括為三個判斷準則：陰影與刀口同方向移動，則刀口位于光束會聚點之前。如果這是局部區(qū)域的陰影圖，則相對于刀口為中心的球面波而言，該區(qū)域是凸起的。陰影與刀口反方向移動，則刀口位于光束會聚點之后。如果這是局部區(qū)域的陰影圖，則相對于刀口為中心的球面波而言，該區(qū)域是凹陷的。陰影圖某部位（全現(xiàn)場或局部）呈現(xiàn)均勻的半暗狀態(tài)，則刀口正好位在該區(qū)域光束的交點處?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16161.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24661.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理設x1oy1平面為理想波面W會聚的近軸平面，刀口的邊緣線到主光線交點o的距離為r1，y1軸與刀口之間的夾角為θl。刀口的邊緣線可表示為于是可得該平面上的透射比為y1x1r1oθ1在近軸平面上的刀口位置示意圖§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16171.刀口陰影法檢驗y1x1r1o2022/12/24671.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理根據(jù)波象差W與在x1oy1面上的橫向像差的關系式把上式改寫為陰影圖的形狀決定于分界線：§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16181.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24681.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：離焦誤差其波像差為陰影邊界線為（直線）設刀口平行于y軸，（平行y軸的直線）§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16191.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24691.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：離焦誤差當D＜0即刀口放在焦點以內(nèi)時，若刀口從右向左切割光束，即隨著r1減小，陰影線從右向左沿x軸平移（與刀口同方向）；當D＞0即刀口放在焦點以外時，刀口仍然從右向左切割光束，即隨著r1減小，陰影線從左向右沿x軸平移（與刀口反方向）；當D=0即刀口放在焦點上時，陰影線就不存在了，在刀口切割光束時，視場內(nèi)是均勻的（亮變暗，過程較短）。當r1＝0，即刀口與光軸接觸時，這時不論D值的大小、正負如何，陰影圖都正好是一半亮一半暗。§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16201.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24701.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：球差+離焦誤差這是一個三次曲線。球差和離焦的波面是回轉(zhuǎn)對稱的，刀口從不同方向切割光束，陰影圖的方向會改變，而形狀是不變的。§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16211.刀口陰影法檢驗§3-2光2022/12/24711.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：球差+離焦誤差刀口平行于x軸yyyxyxyxya)刀口位于邊緣焦點前b）刀口位于近軸焦點前c）刀口位于邊緣焦點后§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16221.刀口陰影法檢驗yyyxyxy2022/12/24721.刀口陰影法檢驗1.2刀口陰影法的幾何原理例子：球差+離焦誤差再假設刀口位于光軸上，即r1＝0ya)b)c)d)a)邊緣焦點后xyxyxyxyb)邊緣焦點和近軸焦點之間c)近軸焦點前d)近軸焦點處§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16231.刀口陰影法檢驗ya)b)2022/12/24731.刀口陰影法檢驗1.3刀口儀的光路和結構用陰影法觀察波面誤差，光路的安排有自準直和非自準直兩種。自準直和非自準直光路所看到的陰影圖基本相同，但進行定量檢驗時必須考慮到自準直光路光光線兩次通過被測系統(tǒng)，因此波面誤差加倍。圖示為自準直刀口儀鏡管的光路圖。自準直刀口儀光路圖60°30°小孔光闌轉(zhuǎn)盤聚光鏡燈泡調(diào)節(jié)螺釘被測件刀片刀刃濾光片§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16241.刀口陰影法檢驗自準直刀口儀光2022/12/24742.子孔徑拼接測試技術2.1孔徑拼接測試技術基本原理JamesWyant等人在1981年測量大平面鏡時提出的，是一種低成本、高分辨率檢測大口徑光學元件的有效手段?；舅枷胧恰耙孕y大”，當被測平面光學元件尺寸超過干涉儀口徑或者所測非球面產(chǎn)生的干涉條紋密度大于CCD空間§3-2光學元件面型測試技術

分辨率時，利用小口徑干涉儀每次僅檢測整個光學元件的一部分區(qū)域，待完成全孔徑測量后，再使用適當?shù)乃惴ā捌唇印本涂傻玫饺讖矫嫘涡畔ⅰ?022/12/16252.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24752.子孔徑拼接測試技術2.2數(shù)學優(yōu)化處理方法其基本原理在于用干涉方法分別測量整個大孔徑面形的一部分，并使各子孔徑相互之間稍有重疊，然后從重疊區(qū)提取出相鄰子孔徑的參考面之間的相對平移、旋轉(zhuǎn)，并依次把這些子孔徑的參考面統(tǒng)一到某一指定的參考面，從而恢復出全孔徑波面。關鍵技術：子口徑劃分方法拼接算法§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16262.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24762.子孔徑拼接測試技術2.3子孔徑拼接技術應用例被測件是一塊平面環(huán)狀K9玻璃鏡，外徑為150mm，內(nèi)徑32mm。利用ZYGOGPI干涉儀的６吋（152mm）鏡頭進行全口徑測量的結果為：PV=1.84λ，RMS=0.225λ，其中λ常取632.8nm。采用9個子孔徑拼接方案?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16272.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24772.子孔徑拼接測試技術2.3子孔徑拼接技術應用例§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16282.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24782.子孔徑拼接測試技術2.3子孔徑拼接技術應用例§3-2光學元件面型測試技術串行模式的拼接結果(PV=2.0647λ，RMS=0.1715λ)并行模式的拼接結果(PV=1.837λ，RMS=0.2298λ)2022/12/16292.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24792.子孔徑拼接測試技術2.3子孔徑拼接技術應用例子孔徑拼接測量對設備精度要求很高，如何消除拼接測量過程中的誤差累積，尤其對非球面拼接測量的誤差修正是干涉拼接測量所面臨的主要問題。此外，子孔徑的劃分、子孔徑波面數(shù)據(jù)的采集和子孔徑擬合拼接的數(shù)據(jù)處理方法等是子孔徑拼接測量方法的關鍵技術?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16302.子孔徑拼接測試技術§3-22022/12/24803.自由曲面的面型測試技術自由曲面沒有嚴格明確的定義，通常指非回轉(zhuǎn)對稱、不規(guī)則、根據(jù)所需要求自由構造的曲面，在數(shù)學上一般使用解析形式或者離散數(shù)據(jù)點進行描述。與傳統(tǒng)的球面和非球面相比，自由曲面具有更好的設計自由度，有時用一片自由曲面透鏡就可以代替幾片球面透鏡的組合獲得同樣甚至更好的成像質(zhì)量，這使得光學系統(tǒng)的重量和體積大大減小?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16313.自由曲面的面型測試技術§3-2022/12/24813.自由曲面的面型測試技術目前自由曲面光學元件已經(jīng)廣泛應用于數(shù)碼攝影鏡頭、激光打印機和掃描儀鏡頭、衍射光學器件、車燈的反射鏡和燈罩、平面顯示器的導光板等產(chǎn)品。比如，含有自由曲面光學元件的投影系統(tǒng)，用自由曲面代替非球面使得系統(tǒng)厚度更小，視場更大；含有自由曲面光學元件的照明系統(tǒng)獲得了更高的照明效率和照明均勻度。自由曲面光學元件盡管有其突出的優(yōu)點，但遠遠不能進入到現(xiàn)代光學系統(tǒng)的主流中，原因就是光學自由曲面面形描述復雜，使得自由曲面光學元件在設計、加工以及檢測過程中都存在著很多的技術難點。§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16323.自由曲面的面型測試技術§3-2022/12/24823.自由曲面的面型測試技術3.1三坐標測量法接觸式三坐標測量法幾乎能測量任何類型的自由曲面面形，但通常其精度有限，高精度的三坐標測量精度能達到0.3μm以下，這一精度可滿足普通光學成像系統(tǒng)的要求。采用激光位移傳感器作為探頭，發(fā)展趨勢。§3-2光學元件面型測試技術2022/12/16333.自由曲面的面型測試技術§3-2022/12/24833.自由曲面的面型測試技術3.2計算機全息圖法測量自由曲面計算全息法（CGH）理論上具有生成幾乎任何形狀波前的能力，使得它可結合激光干涉儀對自由曲面進行零位補償光學測量，同時具有高效率和高精度的優(yōu)點，是自由曲面等無回轉(zhuǎn)對稱性的光學表面較為理想的測量方法。非接觸式自由曲面測量技術如：子孔徑拼接干涉法、投影光柵法、激光三角法、全息法、深度圖像三維測量法、逐層掃描測量法等，已成為自由曲面測量的重要發(fā)展方向?！?-2光學元件面型測試技術2022/12/16343.自由曲面的面型測試技術§3-2022/12/2484§3-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/1635§3-3微光學元件參數(shù)測試2022/12/2485衍射光學元件是利用計算機設計衍射圖樣，并通過微電子加工技術在光