光学参数现代测试技术发展现状 -...

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

目 录

1. 概述

2. 光学参数测试

4. 发展趋势

5. 结束语

3. 我校光学参数测试研究成果简介

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

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

1.1.1光学玻璃主要光学性能参数

光学零部件光学性能参数

光学面形偏差

平面零件光学平行度

焦距、顶焦距

1.1.2光学零部件光学性能参数

物镜几何象差

物镜波象差

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

1.1.3光学系统特性参数

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

1.1.4光学系统象质评价参数

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。

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。

2.1.1光学玻璃折射率与色散

色散系数(阿贝数)以符号ν表示：

1D

F C

nn n

ν−

=−

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

2.1.1光学玻璃折射率与色散

光学玻璃折射率测试仪结构图

u最小偏向角法测折射率

测量精度可达±3×10-6

2.1.1光学玻璃折射率与色散

u最小偏向角法测折射率

折射率测量仪实物图

V棱镜折射仪法测量原理图

2.1.1光学玻璃折射率与色散

uV棱镜仪测折射率

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。

2.1.1光学玻璃折射率与色散

系统总体框图

2.1.1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)

光学系统结构示意图

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

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

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

2.1.1光学玻璃折射率与色散

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

)()(

0 cmdnmnn en

∆=−=δ

0n、en ——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。

u棱镜分光光度计检测有色光学玻璃光谱特性

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

2.1.3光学玻璃光谱特性

棱镜分光光度计系统原理图

可见区波长再现性<±0.3nm,分辨率优于2nm

2.2.1零件的面形偏差测试

u 斐索平面干涉仪检测平面面形偏差

斐索平面干涉仪原理图

1-光源2-扩束镜3-分束镜4-准直物镜5-标准平面6-待检面

2.2光学零件参数测试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/100 。

u斐索球面干涉仪检测球面面形偏差

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

2.2.1零件的面形偏差测试

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%

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；

2.2.1零件的面形偏差测试

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;

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

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

u共路外差干涉仪检测超精镜面面形（球面和平面均可）

检非球面的CGH干涉系统原理图

S ,S -分束镜;M-待检非球面;L-扩束镜;F-空间滤波器;P-观察屏

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

u Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

2.2.1零件的面形偏差测试

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。

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=632.8 nm)

2.2.1零件的面形偏差测试

uZYGO数字干涉仪上检测非球面

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/100。

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

光学系统原理

1-待测玻璃平板；2-自准直望远镜

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

泰曼干涉仪原理图

Mr-参考反射镜;Mt-测试反射镜.P-分束镜T-待检玻璃平板

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σδ约为零点几秒。

平行度θ为：

点光源干涉法原理图

1-He-Ne激光器2-扩束镜；3-特检玻璃平板4-观测屏Σ1、Σ2-从S1’、s2’发出的两列波

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

平行度θ为：

2.2.3物镜几何象差测试

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

u哈特曼法检测球差

2.2.3物镜几何象差测试

F,C

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ΔlFC.

u哈特曼法检测位置色差

2.2.3物镜几何象差测试

检测斜光束象差的原理图

轴外子午和弧矢球 细光束

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

数字泰曼一格林干涉仪原理图

2.2.4物镜波象差测试

u泰曼一格林干涉仪检测波像差

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）

2.2.5焦距和顶焦距测试

u精密测角法检测焦距

精密测角法测焦距原理图

1-分划板;2-待测透镜；3-经纬仪

该法的焦距测量误差仅为0.5‰

u调焦距离法检测顶焦距

1-自准望远镜；2-自准目镜；3-待检件；4-平面反射镜

调焦距离法测量最小焦距的原理

2.2.5焦距和顶焦距测试

2.3光学系统特性参数测试

2.3.1显微系统放大率测试

1-目镜2-抽筒3-镜筒4-被测物镜5-标准刻尺6-测微目镜

物镜放大率倍数测量装置

u测微目镜检测显微系统放大率

β=y’/y

2.3.2显微系统数值孔径测试

1-目镜； 2-物镜；3-金属框；4-乳白玻璃； 5-狭

数值孔径计

NA=nsinu

u数值孔径计检测数值孔径

2.3.3望远系统视度、视差测试

视度客观测试原理图

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）。

'o

'cf 'x− 'x

'A'B

o

o

u基于CCD成像技术的视度测试

视差客观测试原理图

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

2.3.4 望远系统视放大率测试

'DD

视放大率测试原理图

u基于CCD成像技术的视放大率测试

2.3.5 照相物镜系统的相对孔径测试

焦面点光源法检测原理图

u焦面点光源法检测相对孔径

1-灯泡 ；2-聚光镜；3-小孔光阑；4-待测物镜；5-毛玻璃

相对孔径=D/f’D-入瞳直径

2.3.6照相物镜系统的有效光阑指数测试

有效光阑指数T检测原理图

u像面照度比较法检测T值

FTτ

=

在待检物镜上放一视场光阑

取走待检物镜，换成孔径为D0的标准光阑

2.3.7照相物镜系统的渐晕系数测试

1-底片(或感光纸)；2-待测物镜；3-小孔光阑；4-聚光镜；5-光源

渐晕系数检测原理图

u焦面点光源法检测渐晕系数

0

100%sVs

ωω = ×

渐晕系数

Sω-通过照相物镜的斜光束截面面积s0-轴向光束截面面积

2.3.8照相物镜系统的像面照度均匀度测试

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

u光电探测器扫描法检测象面均匀度

K’ω=mω/m0

2.3.9 变焦距照相物镜系统的象面稳定性测试

象面稳定性检测原理图

1-平行光管 ；2-待测物镜；3-物镜夹持器；4- CCD显微成像系统

象面位移曲线

u基于CCD成像技术检测象面稳定性

2.4.1光学系统分辨率测试

2.4 光学系统综合性能参数

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

u采用前置镜的传统测试分辨率测试

2.4.2光学系统透过率测试

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

望远镜透过率测定仪原理图

u光电探测法检测透过率

1

0

' 100%mm

φτ

φ= = ×

待检望远系统的白光透过率

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。

l 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：

0 0( , ) ( , ) / ( , )PSF u v h u v h u v dudv∞

−∞

= ∫ ∫

2.4.3光学系统传递函数测试

[ ]( ) ( ) exp ( )x x xOTF f MTF f jPTF f= −

2( , ) ( , ) exp ( )ASP u v C p x y j ux vy dxdyRπ

λ

∞

−∞

= − + ∫ ∫

l 光学传递函数测量方法：

o 干涉法

o 扫描法Ø 光学傅里叶分析法

Ø 光电傅里叶分析法

Ø 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

2.4.3光学系统传递函数测试

待测镜头

星点像 刀口像 狭缝像

LSF

OTF

P(x,y)

ASF

PSF

干涉测波差

微分

狭缝扫描

余弦光栅扫描

FT

平 方

FTFT

自相关

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；

LSF-线扩散函数；OTF-光学传递函数

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

显微镜光学传递函数测量仪（我国研制）

2.4.3光学系统传递函数测试

基于CCD成像技术的枪用光学瞄具性能综合测试系统

3. 我校光学参数测试研究成果简介

（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

p放大率测试

放大率测试原理如下图所示：

'DD

本测试系统根据入瞳直径D与出瞳直径 的比值求出视放大率， 。

'D'D DΓ =

p放大率测试

放大率测试装置如下图所示：

CCD显微摄像系统

六维电动调整台

被测瞄具

平行光管

六维手动调整台

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。

视场测试装置如下图所示：

CCD广角摄像系统

六维电动调整台

被测瞄具

平行光管

物镜支持架

p视场测试

p视度与视差测试

视度与视差测试原理如下图所示：

'o

'cf 'x− 'x

'A'B

o

oA′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）

—被测系统视度 —CCD摄像系统的物镜焦距

c

cc

c f

f

SD

fSD

fx ′

+′

=′+

′=

SD1000

1000

2

SD cf ′

视度与视差测试装置如下图所示：

CCD短焦距摄像系统

六维电动调整台

被测瞄具

平行光管

六维手动调整台

p视度与视差测试

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：

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

平行光管

六维手动调整台

六维电动调整台

p分划倾斜与像倾斜测试

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：

出瞳直径与出瞳距离测试装置如下图所示：

CCD显微摄像系统

六维电动调整台

被测瞄具

平行光管

六维手动调整台

p出瞳直径与出瞳距离测试

p分辨率测试

分辨率测试原理如下图所示：

0

2 206265( )bf

α ′′= ×′

式中： b —为被分辨开的线条宽度

分辨率测试装置如下图所示：

CCD变倍显微摄像系统

照相物镜 被测瞄具

平行光管

六维手动调整台

六维电动调整台

p分辨率测试

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：

（2）像面稳定度测试分系统

调焦式微光瞄具像面稳定度的测试原理图

分划板 平行光管

分光镜

准直物镜 被测微光瞄具 CCD摄像系统 计算机

变倍手轮反射镜光电图形发生器

匀光器

u调焦式微光瞄具测试像面稳定度

（2）像面稳定度测试分系统

变倍式白光瞄具像面稳定度的测试方法

×1

×4

u变倍式白光瞄具测试像面稳定度

（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

（3）光学系统透过率测试分系统

测

测

ba

k⋅=

1τ

u基于光学调制原理的系统透过率测试

（3）光学系统透过率测试分系统

攻克的关键技术

光电自动调焦技术

光学图像处理技术

DLP光电图形自动生成技术

光电自动对准技术

（4）攻克的关键技术及创新点

（4）攻克的关键技术及创新点

1 32

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。

（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。

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。

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。