光電測試技術(shù)-第2章-基本光學(xué)量的測試技術(shù)(5／6)

光電測試技術(shù)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)第2章根本光學(xué)量的測試技術(shù)2024/2/252§2-5刀口陰影法檢驗2024/2/253§2-5刀口陰影法檢驗刀口陰影法是1858年由傅科〔Foucoult〕提出的，所以又稱為傅科刀口法。當(dāng)時是用于天文望遠(yuǎn)鏡的大口徑反射鏡的檢驗。用于測量光學(xué)零件外表的面形偏差和光學(xué)系統(tǒng)的波像差。通過波像差和幾何像差的轉(zhuǎn)換關(guān)系，也可測量光學(xué)系統(tǒng)的幾何像差。優(yōu)點：設(shè)備簡單；非接觸檢驗方法；有極高的直觀靈敏度。實踐說明，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。2024/2/254§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理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(jìn)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(dāng)?shù)犊谧杂蚁蜃笠苿忧懈罟馐鴷r：當(dāng)?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(dāng)?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(dāng)?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圖示2024/2/255§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理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(zhǔn)那么：陰影與刀口同方向移動，那么刀口位于光束會聚點之前。如果這是局部區(qū)域的陰影圖，那么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，那么刀口位于光束會聚點之后。如果這是局部區(qū)域的陰影圖，那么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)，那么刀口正好位在該區(qū)域光束的交點處。2024/2/256§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理1.2刀口陰影法的幾何原理前面表達(dá)了刀口陰影法的根本概念，直觀而定性地說明了被檢驗實際波面形狀以及刀口位置對所形成陰影圖的影響和它們之間的關(guān)系。下面進(jìn)一步從幾何光學(xué)的觀點來討論在刀口陰影法中，被檢實際波面的面形、刀口位置與陰影圖形狀的解析關(guān)系。2024/2/257§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理1.2刀口陰影法的幾何原理設(shè)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2024/2/258§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理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(guān)系式把上式改寫為陰影圖的形狀決定于分界線：2024/2/259§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理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(shè)刀口平行于y軸，〔平行y軸的直線〕2024/2/2510§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理1.2刀口陰影法的幾何原理例子：離焦誤差當(dāng)D＜0即刀口放在焦點以內(nèi)時，假設(shè)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(dāng)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(dāng)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(dāng)r1＝0，即刀口與光軸接觸時，這時不管D值的大小、正負(fù)如何，陰影圖都正好是一半亮一半暗。2024/2/2511§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理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。2024/2/2512§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理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2024/2/2513§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理1.2刀口陰影法的幾何原理例子：球差+離焦誤差再假設(shè)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2024/2/2514§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理1.3刀口儀的光路和結(jié)構(gòu)用陰影法觀察波面誤差，光路的安排有自準(zhǔn)直和非自準(zhǔn)直兩種。自準(zhǔn)直和非自準(zhǔn)直光路所看到的陰影圖根本相同，但進(jìn)行定量檢驗時必須考慮到自準(zhǔn)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(zhǔn)直刀口儀鏡管的光路圖。自準(zhǔn)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2024/2/2515§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理1.3刀口儀的光路和結(jié)構(gòu)儀器的調(diào)整步驟：(1)出射光束的調(diào)整。要求出射光束在相對孔徑為1/2的被檢系統(tǒng)整個入瞳面上造成均勻的照度；(2)光闌的選擇。被檢系統(tǒng)的實際波面具有軸對稱性時，選用狹縫較有利，否那么選用小孔較為有利。根據(jù)被檢系統(tǒng)相對孔徑大小和反射回來的光束的強弱來選用小孔的直徑和狹縫的寬度。相對孔徑小而反射光弱的，應(yīng)選直徑大的小孔或?qū)挼莫M縫；2024/2/2516§2-5刀口陰影法檢驗

1.刀口陰影法根本原理1.2刀口儀的光路和結(jié)構(gòu)儀器的調(diào)整步驟：(3)調(diào)節(jié)刀口的兩個移動方向。使一個方向與被檢系統(tǒng)的光軸方向一致，另一方向與光軸垂直；(4)保持一定的環(huán)境條件。儀器應(yīng)放在牢固穩(wěn)定的工作臺上，光路中應(yīng)保持空氣高度均勻，房間要黑暗或半暗。2024/2/2517§2-5刀口陰影法檢驗

2.刀口陰影法檢驗例刀口陰影法檢測非球面面形誤差用陰影法檢測非球面面形誤差時，可以有無像差點法和補償法兩種。如在無像差點刀口陰影法中，利用二次曲面中存在的一對無像差共軛點這一特性可設(shè)計出各種刀口陰影法的檢測方案。2024/2/2518§2-5刀口陰影法檢驗

2.刀口陰影法檢驗例刀口陰影法檢測非球面面形誤差1〕凹橢球面。對凹橢球面來說，可以直接利用其無像差點來進(jìn)行檢測，如下圖。通常在靠近鏡面的那個無像差點F1處放上點光源S，而在另一個無像差點F2處放刀口，根據(jù)觀察到的陰影圖來判斷凹橢球面的面形誤差。F1SF2Sˊ檢測凹橢球面面形誤差2024/2/2519§2-5刀口陰影法檢驗

2.刀口陰影法檢驗例刀口陰影法檢測非球面面形誤差2〕拋物