6.安志勇-光学参数现代测试技术发展现状.ppt [修复的]

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1 光学参数现代测试技术发展现状 报告人 : 长春理工大学 安志勇 教授

2 目录 1. 概述 2. 光学参数测试 3. 我校光学参数测试研究成果简介 4. 发展趋势 5. 结束语

3 1. 概述 1.1 光学参数类别 光学参数 光学玻璃主要光学性能参数 光学零部件光学性能参数 光学系统特性参数 光学系统象质评价参数

4 1.1.1 光学玻璃主要光学性能参数 光学玻璃主要光学性能参数 折射率与色散 双折射 光谱特性

5 1.1.2 光学零部件光学性能参数 光学零部件光学性能参数 光学面形偏差 平面零件光学平行度 物镜几何象差 物镜波象差 焦距 顶焦距

6 光学系统特性参数显微系统放大率数值孔径视放大率视差视度望远系统照相系统相对孔径有效光阑指数渐晕系数象面照度均匀度变焦距象面稳定性 光学系统特性参数

7 1.1.4 光学系统象质评价参数 光学系统象质评价参数 光学系统分辨率 光学系统透过率 光学系统传递函数

8 1.2 光学参数现代测试技术内涵 所谓现代测试技术是与传统测试技术相对而言 主要是采用 CCD CMOS 成像等现代传感技术, 图像处理技术 激光全息干涉等现代光学技术, 以及精密机械技术 电子学技术 计算机技术 系统集成技术等, 用来实现对各种光学参数测试的新技术

9 1.3 光学参数现代测试技术的特点 与传统测试技术相比, 现代测试技术具有如下特点 : u 高精度 通过采用 CCD 成像等技术代替人眼, 消除人为因素误差, 实现客观测量 u 高灵敏度 通过采用图像处理等技术, 提高图像分辨率, 实现高灵敏度测量 u 高效率 通过采用计算机与自动控制等技术, 实现自动测量 u 大范围测量 通过采用自动控制与精密机械等技术, 实现大范围测量

10 2.1.1 光学玻璃折射率与色散 u 最小偏向角法测折射率和色散 2. 光学参数测试 2.1 光学玻璃参数测试 色散系数 ( 阿贝数 ) 以符号 ν 表示 : ν = n n F D 1 n C

11 光学玻璃折射率测试仪结构图 光学玻璃折射率与色散 u 最小偏向角法测折射率 测量精度可达 ±3 10-6

12 折射率测量仪实物图 光学玻璃折射率与色散 u 最小偏向角法测折射率

13 2.1.1 光学玻璃折射率与色散 uv 棱镜仪测折射率 V 棱镜折射仪法测量原理图

14 2.1.1 光学玻璃折射率与色散 早在 20 世纪 40 年代, 两院院士王大珩先生在英国留学期间, 研究出第一台 V 棱镜折射仪, 并在英国制成商品仪器 后来回国后把 V 棱镜折射仪进一步改进并推广生产, 至今仍是许多光学玻璃生产厂家和某些科研院所的测试仪器

15 系统总体框图 光学玻璃折射率与色散 u 基于 CCD 成像技术的数字 V 棱镜测量仪 ( 长春理工大学自行研制 )

16 2.1.1 光学玻璃折射率与色散 1- 光源 2- 毛玻璃 3- 单线分划板 4- 平行光管物镜 5- 被测试样 6-V 棱镜座 7- 直角棱镜 8- 偏振片组 9-CCD 成像物镜 10-CCD 11- 发光二极管 12- 透镜 13- 圆光栅 14- 指示光栅 15- 接受器件

17 2.1.1 光学玻璃折射率与色散 基于 CCD 成像技术的数字 V 棱镜测量仪

18 2.1.1 光学玻璃折射率与色散 该项目技术指标 : (1) 测量范围 :n=1.00~2.00 (2) 测量精度 :±5 10-6

19 2.1.2 光学玻璃双折射 双折射是以光通过 1cm 厚的玻璃时, 由 o 光和 e 光所产生的光程差表示的 若玻璃厚度为 d, 通过该玻璃时,o 光和 e 光的光程差为, 则双折射为 δ n = n 0 n e = ( nm) d( cm) n n 0 e 分别为 o 光与 e 光的折射率 因此, 只需测出 o 光和 e 光的折射率, 就可测出双折射

20 2.1.3 光学玻璃光谱特性 u 棱镜分光光度计检测有色光学玻璃光谱特性 可见区波长再现性 <±0.3nm, 分辨率优于 2nm 棱镜分光光度计系统原理图 1- 光源 ; 2- 光阑 3- 聚光镜 ; 4- 入射狭缝, 5,8- 球面镜 ; 6- 平面镜 ; 7- 色散棱镜 ; 9- 出射狭缝 ; 10,12- 透镜 ; 11- 试样 ; 13- 档板 ; 14- 光电管 ; 15- 接收器

21 2.2 光学零件参数测试 零件的面形偏差测试 u 斐索平面干涉仪检测平面面形偏差 斐索平面干涉仪可以检测平板或棱镜的表面面形及其均匀性, 其测量精度一般为 λ/10~λ/ 光源 2- 扩束镜 3- 分束镜 4- 准直物镜 5- 标准平面 6- 待检面 斐索平面干涉仪原理图

22 2.2.1 零件的面形偏差测试 u 斐索球面干涉仪检测球面面形偏差 仪器检测面形精度为 λ/20, 曲率半径检测范围为 -2000~2000mm, 相对测量精度为 ±0.1% 斐索球面干涉仪原理图 1- 扩束镜 ;2- 分束棱镜组 ;3- 固定镜组 ;4- 标准镜组 ;5- 待检面

23 2.2.1 零件的面形偏差测试 u 全息干涉法检测球面面形 用全息样板检测球面光路图 1- 激光器 ;2- 偏振分束棱镜 ;3- 扩束镜 ;4- 物镜 :5- 待检凸球面镜 ;5 - 标准镜 ;

24 2.2.1 零件的面形偏差测试 平面度高达 λ/200, 球面形局部偏差为 λ/50~λ/100 u 共路外差干涉仪检测超精镜面面形 ( 球面和平面均可 ) Mach-zehnder 干涉仪 等腰三角环形干涉仪 单模线偏振激光束 声光调制器 共路外差干涉仪原理 M- 反射镜 ;BS- 分束器 AO- 声光调制器 ;λ/2 片 - 二分之一波片 ;PBS- 偏振分束器 ;L- 透镜 ;

25 2.2.1 零件的面形偏差测试 u 用计算机全息图 (CGH) 检测非球面面形 目前 CGH 检测非球面的精度约为 λ/10~λ/20 检非球面的 CGH 干涉系统原理图

26 2.2.1 零件的面形偏差测试 u Shack-Hartmann 波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜 只要是对大口径非球面镜研磨阶段到抛光阶段之间过渡期的面形进行检测

27 2.2.1 零件的面形偏差测试 对直径 350mm 的非球面面形检测误差 PV 值 RMS 值分别为 0.388λ,0.043λ(λ= nm)

28 ZYGO 数字干涉仪是利用干涉方法实时快速检测平面 球面的精密仪器 其光学部分采用的是斐索干涉仪原理, 数字处理部分采用条纹法和位相法进行干涉图判读 长春光机所在原斐索干涉仪的基础上设计了附加光路, 通过制备各种计算机全息图 (CGH), 即可在数字干涉仪上检测相应的非球面 重复性精度 PV 值可达到 λ/ 零件的面形偏差测试 uzygo 数字干涉仪上检测非球面

29 2.2.2 平面光学零件光学平行度测试 u 自准直法测光学平行度 由前后表面的两束反射光夹角 φ 与玻璃平板不平行度 θ 关系为 : sinφ=nsin2θ 光学系统原理 1- 待测玻璃平板 ;2- 自准直望远镜

30 2.2.2 平面光学零件光学平行度测试 u 泰曼干涉仪测平板平行度 该法的测量标准 偏差 σ δ 约为零点几秒 M r - 参考反射镜 ; M t - 测试反射镜. P- 分束镜 T- 待检玻璃平板 平行度 θ 为 : 泰曼干涉仪原理图

31 2.2.2 平面光学零件光学平行度测试 u 激光点光源干涉法测量平行度 1-He-Ne 激光器 2- 扩束镜 ; 3- 特检玻璃平板 4- 观测屏 Σ 1 Σ 2 - 从 S 1 s 2 发出的两列波 点光源干涉法原理图 平行度 θ 为 :

32 2.2.3 物镜几何象差测试 u 哈特曼法检测球差 1- 小孔光阑 2- 平行光管物镜 3- 哈特曼光阑 4- 待检物镜 检测球差原理图 球差曲线

33 2.2.3 物镜几何象差测试 u 哈特曼法检测位置色差 用检测球差的方法, 分别作出两谱线对应的球差曲线. 对目视望远镜一般测 C 和 F 谱线的球差曲线, 它们与横坐标轴的交点间的距离即为位置色差 Δl FC.

34 2.2.3 物镜几何象差测试 u 哈特曼法检测轴外子午和弧失球差 细光束象散 细光束场曲 检测斜光束象差的原理图 轴外子午和弧矢球 细光束

35 2.2.4 物镜波象差测试 u 泰曼一格林干涉仪检测波像差 数字泰曼一格林干涉仪原理图

36 2.2.4 物镜波象差测试 装调 / 测试装置 ( 中国科学院长春光机所马军等人与 2008 年研制 )

37 2.2.5 焦距和顶焦距测试 u 精密测角法检测焦距 该法的焦距测量误差仅为 0.5 精密测角法测焦距原理图 1- 分划板 ;2- 待测透镜 ;3- 经纬仪

38 2.2.5 焦距和顶焦距测试 u 调焦距离法检测顶焦距 调焦距离法测量最小焦距的原理 1- 自准望远镜 ;2- 自准目镜 ;3- 待检件 ;4- 平面反射镜

39 2.3 光学系统特性参数测试 显微系统放大率测试 u 测微目镜检测显微系统放大率 β=y /y 1- 目镜 2- 抽筒 3- 镜筒 4- 被测物镜 5- 标准刻尺 6- 测微目镜

40 2.3.2 显微系统数值孔径测试 u 数值孔径计检测数值孔径 NA=nsinu 数值孔径计 1- 目镜 ; 2- 物镜 ;3- 金属框 ;4- 乳白玻璃 ; 5- 狭

41 视度客观测试原理图 望远系统视度 视差测试 u 基于 CCD 成像技术的视度测试 A 点 会聚光束交点 ( 正视度 ); o o A' o' B' B 点 发散光束交点 ( 负视度 ); O 点 平行光束交点 ( 零视度 ) f c ' x' x'

42 2.3.3 望远系统视度 视差测试 u 基于 CCD 成像技术的视差测试 视差客观测试原理图

43 2.3.4 望远系统视放大率测试 u 基于 CCD 成像技术的视放大率测试 D D' 视放大率测试原理图

44 2.3.5 照相物镜系统的相对孔径测试 u 焦面点光源法检测相对孔径 相对孔径 =D/f D- 入瞳直径 焦面点光源法检测原理图 1- 灯泡 ;2- 聚光镜 ;3- 小孔光阑 ;4- 待测物镜 ;5- 毛玻璃

45 2.3.6 照相物镜系统的有效光阑指数测试 u 像面照度比较法检测 T 值 在待检物镜上放一视场光阑 取走待检物镜, 换成孔径为 D 0 的标准光阑 T = F τ 有效光阑指数 T 检测原理图

46 1- 底片 ( 或感光纸 );2- 待测物镜 ;3- 小孔光阑 ;4- 聚光镜 ;5- 光源 照相物镜系统的渐晕系数测试 u 焦面点光源法检测渐晕系数 渐晕系数 s V = ω ω 100% s 0 渐晕系数检测原理图 S ω - 通过照相物镜的斜光束截面面积 s 0 - 轴向光束截面面积

47 2.3.8 照相物镜系统的像面照度均匀度测试 u 光电探测器扫描法检测象面均匀度 K ω =m ω /m 0 象面照度均匀度检测 1- 积分球 ;2- 待检物镜 ;3- 象平面 ;4- 光电探测器

48 1- 平行光管 ;2- 待测物镜 ;3- 物镜夹持器 ;4- CCD 显微成像系统 变焦距照相物镜系统的象面稳定性测试 u 基于 CCD 成像技术检测象面稳定性 象面稳定性检测原理图 象面位移曲线

49 2.4 光学系统综合性能参数 光学系统分辨率测试 u 采用前置镜的传统测试分辨率测试 望远系统分辨率检测装置图 1- 光源 ;2- 聚光镜 ;3- 毛玻璃 ;4- 分辨率板 ;5- 准直物镜 ;6- 待检系统 ;7- 前置镜

50 2.4.2 光学系统透过率测试 u 光电探测法检测透过率 待检望远系统的白光透过率 τ φ ' φ m m 1 = = 0 100% 望远镜透过率测定仪原理图 1- 点光源平行光管 ;2 一可变光阑 ;3 一待检望远镜 ;4- 检流计 ;5- 积分球

51 2.4.3 光学系统传递函数测试 光学系统传递函数 (OTF) 简介 OTF 是评价光学系统成像质量的重要参数, 从上世纪五十年代开始, 各国在光学传递函数的理论和实践方面做了大量的工作, 从八十年代起, 已研制出多种类型的 OTF 测量仪器

52 2.4.3 光学系统传递函数测试 按其定义分为以下几种光学传递函数 : o 以点扩散函数定义 : o 以余弦光栅成象定义 : o 以光瞳函数定义 : PSF( uv, ) h ( uv, )/ h ( uvdudv, ) = 0 0 [ ] OTF( f ) = MTF( f )exp jptf( f ) x x x 2π ASP( uv, ) = C pxy (, )exp j ( ux vy) dxdy + λr

53 2.4.3 光学系统传递函数测试 光学传递函数测量方法 : o 干涉法 o 扫描法 光学傅里叶分析法 光电傅里叶分析法 数字傅里叶分析法 o 调制度法 o 互相关法 o 激光散斑测量法

54 LSF- 线扩散函数 ;OTF- 光学传递函数 干涉测波差 待测镜头 星点像刀口像狭缝像 自相关 P(x,y) FT ASF 平方 PSF FT 余弦光栅扫描 狭缝扫描 微分 LSF FT OTF 狭缝扫描 余弦光栅扫描 剪切干涉相关 P(x,y)- 光瞳函数 ; ASF- 振幅扩散函数 ;PSF- 点扩散函数 ;FT- 傅里叶变换 ;

55 显微镜光学传递函数测量仪 ( 我国研制 ) 光学系统传递函数测试 1- 星孔照明系统 ;2- 待测显微系统 ; 3- 分束镜 ; 4- 目镜 ; 5- 狭缝 ; 6- 聚光镜 ; 7- 光电倍增管

56 3. 我校光学参数测试研究成果简介 基于 CCD 成像技术的枪用 光学瞄具性能综合测试系统

57 (1) 光学性能基本参数测试分系统 (2) 像面稳定度测试分系统 (3) 光学系统透过率测试分系统 (4) 攻克的关键技术及创新点 (5) 小结

58 p 放大率测试 放大率测试原理如下图所示 : D D' 本测试系统根据入瞳直径 D 与出瞳直径视放大率, Γ=DD' D' 的比值求出

59 p 放大率测试 放大率测试装置如下图所示 : 被测瞄具 CCD 显微摄像系统 平行光管 六维电动调整台 六维手动调整台

60 p 视场测试 视场测试原理如下图所示 : 由控制系统驱动步进电机转动六维调整台使 CCD 广角摄像系统两次对准平行光管物方标志像 ( 星点像 ) 进行瞄准, 六维电动调整台转动的角度即为被测瞄具的视场角

61 p 视场测试 视场测试装置如下图所示 : 被测瞄具 CCD 广角摄像系统 平行光管 物镜支持架 六维电动调整台

62 p 视度与视差测试 视度与视差测试原理如下图所示 : f SD 2 c x = = f c f c SD SD f c o o f c ' A' o' x' x' B' A 点 会聚光束交点 ( 正视度 ) B 点 发散光束交点 ( 负视度 ) O 点 平行光束交点 ( 零视度 ) SD f 被测系统视度 CCD 摄像系统的物镜焦距 c

63 p 视度与视差测试 视度与视差测试装置如下图所示 : 被测瞄具 CCD 短焦距摄像系统 平行光管 六维电动调整台 六维手动调整台

64 p 分划倾斜与像倾斜测试 分划倾斜与像倾斜测试原理如下图所示 :

65 p 分划倾斜与像倾斜测试 分划倾斜与像倾斜测试装置如下图所示 : CCD 变焦变倍摄像系统 被测瞄具 六维电动调整台 平行光管 六维手动调整台

66 p 出瞳直径与出瞳距离测试 出瞳直径与出瞳距离测试原理如下图所示 :

67 p 出瞳直径与出瞳距离测试 出瞳直径与出瞳距离测试装置如下图所示 : 被测瞄具 CCD 显微摄像系统 平行光管 六维电动调整台 六维手动调整台

68 式中 : b 为被分辨开的线条宽度 p 分辨率测试 分辨率测试原理如下图所示 : α 2b = ( ) f 0

69 p 分辨率测试 分辨率测试装置如下图所示 : 照相物镜 被测瞄具 CCD 变倍显微摄像系统 平行光管 六维电动调整台 六维手动调整台

70 研制成功的轻武器光学瞄具性能参数综合测试系统实物总图 :

71 (2) 像面稳定度测试分系统 u 调焦式微光瞄具测试像面稳定度 匀光器 分划板 平行光管 准直物镜被测微光瞄具 CCD 摄像系统计算机 光电图形发生器 反射镜分光镜 变倍手轮 调焦式微光瞄具像面稳定度的测试原理图

72 (2) 像面稳定度测试分系统 u 变倍式白光瞄具测试像面稳定度 1 4 变倍式白光瞄具像面稳定度的测试方法

73 (2) 像面稳定度测试分系统 瞄具像面稳定度测试系统装置图

74 (3) 光学系统透过率测试分系统 u 基于光学调制原理的系统透过率测试 τ = 1 k a b 测 测

75 (3) 光学系统透过率测试分系统

76 (4) 攻克的关键技术及创新点 攻克的关键技术 光电自动调焦技术 光电自动对准技术 DLP 光电图形自动生成技术

77 (4) 攻克的关键技术及创新点 首次采用 DLP 技术结合平行光管研制成功光电目标自动生成系统 设计了不同的 CCD 摄像系统, 以满足不同性能参数测试的需求 采用模块化结构, 将瞄具各个参数测试系统有机地集成在一起 完成了多种瞄具各种不同性能参数综合测试平台系统

78 (5) 小结 光学瞄具基本性能参数现代测试系统 是采用现代光电子技术, 并集光 机 电 算为一体的高新技术成果 可实现对光电瞄具 白光瞄具和微光瞄具等各种光学瞄具性能参数综合测试, 并具有精度高 效率高 速度快 客观性好等优点

79 4. 发展趋势 (1) 光学参数现代测试系统朝着集成化 自动化 智能化 高可靠性 高效率发展 (2) 光学参数现代测试技术的光学测量精度将不断提高, 充分利用新技术和新原理, 以使得对反映光特征的物理量的实现和测量达到更高的精度 (3) 现代测试技术将向着计算机化 网络化 多功能化的方向发展, 跨学科的综合设计 高精尖的制造技术使它能更高速 更灵敏 更可靠 更简捷地获取被分析 检测 控制对象的全方位信息

80 5. 结束语 现代光学测试工程泛指当前光学工程制造相对应的光学测试体系, 其为整个系统的制造提供着可靠的 立体交叉和完全覆盖的信息源 展望未来, 现代光学测试工程必将得到长足的发展, 以满足各个领域日益增长的测试需求 我们正处在一个经济全球化和知识全球化的时代, 面对日益复杂和激烈的国际竞争, 加强面向国家高技术和大型制造工程中现代光学测试技术领域前沿课题的研究刻不容缓

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1 激光护目镜选型表(聚碳酸酯) 激光窗口 反射镜 分束镜 透镜 激光扩束镜 显微物镜 棱镜 滤光片 偏振元件 衍射光学元件 代理产品 Tel:010-60535165 http://www.zolix.com.cn 备注 Laservision的激光护目镜选型非常方便 根据镜架和滤光片 组合后的就是激光护目镜的总型号 如 镜架型号为F01 镜片型号为 T5E03 则激光护目镜的型号为 F01.T5E03.5000

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 北京杏林睿光科技有限公司 (RealLight ) 光学系统像差传函焦距测量 综合实验 RLE-ME01 实验讲义 版本 :2014 发布日期 :2014 年 5 月 版权声明 : 本手册中所提及的软硬件产品的商标与名称, 都属于相应公司所有 本手册的版权属于北京杏林睿光科技有限公司所有 未得到本公司的正式许可, 任何组织或个人均不得以任何手段和形式对本手册内容进行复制或传播 本手册的内容若有任何修改,

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<4D F736F F F696E74202D D32B3C9CFF1BACDBCB8BACEB9E2D1A7D2C7C6F72E707074> 第一章成像和几何光学仪器 主要内容 一 几何光学成像的基本概念二 近轴光在单个球面上的折射与成像三 薄透镜成像四 几何光学仪器 一. 几何光学成像的基本概念 1. 发光点 发光点 : 理想的点光源实发光点 : 实际发出光线的光源点虚发光点 : 光线或其反向延长线的交点 Q Q 实发光点 虚发光点 理想点光源 说明 : 类似于几何点, 发光点只有几何位置, 没有大小和形状 2. 光束 光束 : 空间一些具有一定关系的光线的集合

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