光学测量与光学工艺知识点答案.docx

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光学测量与光学工艺知识点答案

第一章基本光学测试技术

•对准、调焦的定义、目的；

对准又称横向对准，是指一个对准目标（？

）与比较标志（？

）在垂直瞄准轴（？

）方向像的重合或置中。

例：

打靶、长度度量

人眼的对准与未对准：

对准的目的：

1.瞄准目标（打靶）；

2.精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量）。

调焦又称纵向对准，是指一个目标像（？

）与比较标志（？

）在瞄准轴（？

）方向的重合。

人眼调焦：

调焦的目的：

1.使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位于同一空间深度；

2.使物体（目标）成像清晰；

3.确定物面或其共轭像面的位置——定焦。

•人眼调焦的方法及其误差构成；

常见的调焦方法有清晰度法和消视差法。

清晰度法是以目标与比较标志同样清晰为准。

调焦误差是由于存在几何焦深和物理焦深所造成的。

消视差法是以眼镜在垂直平面上左右摆动也看不出目标和标志有相对横移为准的。

误差来源于人眼的对准误差。

（消视差法特点：

可将纵向调焦转变为横向对准；

可通过选择误差小的对准方式来提高调焦精确度；

不受焦深影响）

•对准误差、调焦误差的表示方法；

对准误差的表示法：

人眼、望远系统用张角表示；

显微系统用物方垂轴偏离量表示；

调焦误差的表示法：

人眼、望远系统用视度表示；

显微系统用目标与标志轴向间距表示；

•常用的对准方式；

常见的对准方式有压线对准，游标对准，夹线对准，叉线对准，狭缝叉线对准或狭缝夹线对准。

•光学系统在对准、调焦中的作用；

提高对准、调焦精度，减小对准、调焦误差。

•提高对准精度、调焦精度的途径；

使用光学系统进行对准，调焦；光电自动对准、光电自动调焦；

•光具座的主要构造；

平行光管（准直仪）；带回转工作台的自准直望远镜（前置镜）；透镜夹持器；带目镜测微器的测量显微镜；底座

•平行光管的用途、简图；

作用是提供无限远的目标或给出一束平行光。

简图如下：

•三种自准直目镜的光路简图；

高斯式自准直目镜如下图1虚线框中所示：

图1

阿贝式自准直目镜如下图2虚线框中所示：

图2

双分划板式自准直目镜如下图3虚线框中所示：

图3

•自准直望远镜、自准直显微镜（构成、光路简图）；

自准直望远镜由自准直目镜，物镜和平面镜构成，由不同的自准直目镜构成的自准直望远镜的光路简图如图1、2、3所示

自准直显微镜由自准直目镜，物镜和球面镜构成。

将自准直望远镜中的平面镜换成球面镜即是自准直显微镜。

•放大率法的原理简图及测量装置；

原理简图：

测量装置：

光具座（光源、波罗板、平行光管、测量显微镜）

•放大率法焦距测量计算；

•放大率法焦距测量中的注意事项；

负透镜（测量显微镜工作距离）

光源光谱组成（色差）

被测镜头像质

近轴焦距与全口径焦距（球差）、测量显微镜NA

第二章光学准直与自准直

•准直、自准直的概念；

准直：

获得平行光束

自准直：

利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上并重合的方法

•准直的目的、用途；

获得平行光束

•实现准直的方法；

激光束：

很好的方向性、很高的亮度，是直线性测量的理想光束

进一步提高激光束准直性（平行性），可采用激光束的准直技术

利用倒装望远镜法，实现激光束的准直

•自准直仪的类别；

自准直仪一般指自准直望远镜和自准直显微镜。

•实现自准直的方法；

•自准直望远镜法测量平行差的原理；

实质上是测量透明玻璃平板平行度的自准直原理。

•什么是第一平行差、第二平行差；

第一光学平行差θI：

棱镜展开后的玻璃板在主截面内的不平行度误差，是由于棱镜主截面内的角度误差引起的。

第二光学平行差θII：

棱镜展开后的玻璃板在垂直于主截面方向上的不平行度误差，是由棱镜的各个棱不平行而造成的，也称棱差或塔差。

•直角棱镜DI-90°光学平行差测量原理；

•自准直显微镜法测量球面曲率半径的原理、简图；

凹面镜：

凸面镜：

即测量方法为移动自准直显微镜使之分别定焦在被测球面的圆心和定点处，两次聚焦自准直显微镜移动的距离即为球面曲率半径。

•自准直显微镜法测量透镜顶焦距的原理、简图；

自准直显微镜法一般不用于测负透镜的焦距、顶焦距

第三章光学测角技术

•精密测角仪的主要部件关键部件及其作用；

自准直前置镜（瞄准、定位）

平行光管（产生无限远的瞄准标记：

狭缝、分划线等）

精密轴系（围绕旋转中心平稳旋转，圆锥轴系、圆柱轴系、空气静压轴系）

圆分度器件（角度基准）

显微读数系统（将被测角与度盘进行比较，得到角度值）

•常见的圆分度器件；

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。

•符合成像系统与对径读数法的用途；

为消除度盘分度圆中心与旋转轴中心不能完全重合带来的偏心误差，可利用在度盘直径两端取得读数后取平均值的方法，称为对径读数法。

所采用的光学读数系统为符合成像系统。

符合成像系统使得对径刻线的像能够在同一视场内出现，并位于分界线两侧。

•如何减小或消除自准直望远镜的视差？

•如何减小或消除平行光管分划面的离焦？

•掌握至少一种基于测角仪的棱镜角度测量方法；

棱镜角度测量（方法1）

测量步骤：

如图所示当光线和被测镜的AB面垂直时，自准直望远镜看到自准直现象，转过一个角度后，光线垂直于AC，再次观察到自准直现象。

望远镜转过的角度和A角有确定的几何关系。

棱镜角度测量（方法2、3）

相似的，如图所示光路，自准直望远镜会先后两次观察到自准直现象，自准直望远镜转过的角度是角A的2倍。

如上图所示光路，望远镜中会观察到平行光管分划板的像和望远镜分划板的像重合，转动载物台再次观察到重合现象，转过的角度和角A互补。

•V棱镜法折射率测量原理及精度水平；

测量原理光路图如下图所示：

测量不确定度可达到

•V棱镜折光仪的主要构造；

平行光管、V棱镜、对准望远镜、度盘、读数显微镜

•折射液的作用；

排除V棱镜和待测透镜之间的空气，从而提高测量精度。

•光学玻璃折射率测量的其它方法及精度水平；

最小偏向角法（了解）精度高，测量不确定度可达10-6

任意偏向角法（了解）精度高，测量不确定度可达10-6

•镜头焦距测量的其它方法；

精密测角法测量物镜焦距：

测量原理光路图：

测量装置图：

第四章：

光学干涉测试技术

•干涉测量的用途、特点；

用途：

光学面形检验：

平面、球面、二次曲面

角度偏差检验：

楔镜、棱镜、角锥

玻璃材料均匀性（折射率）

球面曲率半径测量

光学系统波像差：

有限共轭，无限共轭

测量精度高。

可达到几分之一或几十分之一光波长

•时间相干性、空间相干性的实质；

由于光源的非单色性（频谱展宽），干涉条纹对比度会下降，降低程度与两相干光波的传播时间差有关。

把这种因频谱展宽引起的相干性问题称为时间相干性。

通常扩展光源上不同的点发出的光是不相干的，不同点源产生的干涉条纹的非相干叠加会导致条纹对比度下降，降低程度与扩展光源的空间大小有关。

把这种因光源的空间扩展引起的相干性问题称为空间相干性。

•等倾干涉、等厚干涉；

等倾干涉（分振幅）：

（指相对于平板法线的倾斜角度相等的入射光线（或反射光线）将发生干涉。

）

等厚干涉（分振幅）：

•影响干涉条纹对比度的因素；

时间相干性与空间相干性；相干光束的光强；相干光束的振动方向；杂散光；振动、空气扰动……

•牛顿干涉仪简图、时间相干性、空间相干性讨论；

•牛顿环的特点、球面曲率半径估算；

特点：

零光程暗纹（π相位跃变，光疏到光密的反射有π相位跃变）；同心圆环状条纹；条纹内疏外密；

上式可以用来球面曲率半径，各字母代表的含义如上图所示。

•干涉法楔角测量及楔角方向判断；

楔角，其中

是条纹间距。

楔角方向判断：

上移上层玻璃板，条纹向空气层稀薄的方向移动。

•迈克尔逊干涉仪、泰曼干涉仪、菲索干涉仪的特点与区别；

迈克尔逊干涉仪，采用准单色扩展光源（面光源），需要加补偿板，一般不完全是等厚条纹，也存在等倾条纹。

泰曼干涉仪：

采用电光源，泰曼干涉本质上基于牛顿干涉原理，分光路容易受环境影响；

菲索干涉仪分振幅、共光路牛顿干涉仪，本质上为牛顿干涉原理。

共光路，可减小环境干扰。

•菲索平面干涉仪原理、构造、光路简图；

•菲索平面干涉仪的时间相干性、空间相干性；

•平面面形误差检验的干涉条纹特征；

•平面面形凸、凹判断，目视半径偏差（光圈数）判读；

单色光源：

轻轻按压上面的零件。

条纹扩散则凸，条纹收缩则凹。

白光光源：

按压使两者紧密接触，中央暗斑、第一亮纹几乎为白色。

其余亮纹内侧蓝色、外侧红色则为凸，反之为凹。

•平行平板平行度的干涉测量方法、条纹特点、棱边方向、厚薄判断及角度计算；

•移相干涉术的特点；

精度高，传统静态条纹判读法～λ/10，移相法～λ/50；可减小或消除系统误差，放宽对干涉仪光学元件制造精度要求

第六章：

光学系统成像性能评测

•三种像质检测法的优缺点；

星点检验

基本、直观简便、灵敏度较高，全面

主观、定性或半定性评价法，对检测人员专业技能要求较高

分辨率法

定量、简单方便

主观性大，信息量少

光学传递函数法

客观、定量

设计原理复杂，测量过程复杂（目前已改善）

•什么是星点检验？

“点光源”作为物，并放置在无限远，俗称星点；“点光源”经光学系统所成的像称为星点像；

•理想衍射受限系统及其星点像特点；

星点像是艾里斑

•星点检验装置；

•星点检验条件；

星孔大小要适中

不能切割光束；

观察显微镜/前置镜的放大倍率要足够大；

观察显微镜/前置镜的成像质量优良；

装调准确。

•星点检验能检什么像差，不能检什么像差？

星点检验对慧差、像散、球差灵敏，不能反映畸变、场曲。

•三类光学系统的光学分辨率表示形式；

望远系统——用角度表示刚能分辨的两点之间的最小距离；弧秒

显微系统——直接以刚能分辨开的两物点之间的最小距离表示；um

照相系统——以像面上刚能分辨的两个像点间距的倒数表示。

mm-1，lp/mm

•空间频率；

•理想衍射受限系统的分辨率定义；

考察两个非相干独立发光点在像面上形成的两个点像；由于光的衍射，一个发光点通过光学系统成像得到一个衍射斑（艾里斑），两个衍射斑重叠部分的光强度为两个光斑重叠区对应强度之和（线性叠加）；

理想衍射受限系统的理论分辨率数值，通常基于该系统所能分辨的最小间距来确定。

•三类光学系统的理论光学分辨率计算；

瑞利

道斯

斯派罗

望远（rad）

照相（mm-1）

显微（mm）

•分辨率测量装置及分辨率板；

理论分辨率分析采用双像点（艾里斑）分析法。

实际测量：

在平行光管上，采用分辨率板作为分划板，观察被测系统所成的像，判读所能分辨的最细密条纹

•照相物镜轴上分辨率测量与计算；

1.在光具座上夹好被测照相物镜；

2.通过观察显微镜判读可看清的最细密的四组条纹属于几号板几单元；

3.直接查表得线条宽度p，或按公式换算出每毫米的线对数；

4.求像面上的轴上目视分辨率。

•点扩散函数；

星点像的归一化能量分布（光强分布）即为点扩散函数

•线扩展函数；

对点扩展函数一维方向求积分可得线扩展函数。

或：

物平面上的一线光源，经过光学系统成像后，像的一维光强分布。

•空间频率；

•光学传递函数物理意义、基本定义；

•调制传递函数与相位传递函数；

光学传递函数（OpticalTransferFunction,OTF）是一个关于空间频率的复值函数，它的模称为调制传递函数（ModulationTransferFunction,MTF），它的相位称为相位传递函数（PhaseTransferFunction,PTF）。

•特征频率；

选一两个能够反映成像质量的空间频率，或使用中最感兴趣、最关键的空间频率，称为特征频率

•解读OTF曲线；

•光学传递函数评价方法的特点。

仪器设备结构简单、轻巧；

计算机软件控制测量过程和数据管理；

实时性强；