专业实用的光学测量知识.docx
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专业实用的光学测量知识
1＞相对孔径
一、相对孔径与数值孔径
1.定义（见图1-1）:
相对孔径通光口径与焦距之比D//'像方
a.为什么用入瞳直径D不用岀瞳直径D'?
若用它到系统后焦点F的距离就不一左是焦距厂。
若用入瞳直径，对于物在无限远的成
像系统来说，不管入瞳在什么地方，相对孔径总是D/fo见图
b、为什么用sinu不用tanu?
理想光学系统的物像空间不变式：
n0y•tanu=/?
‘•y1*tanu1
考虑到设计汁算方便，采取规格化（归一化）的措施，故采用正弦代替正切。
相应的，显微镜的设计必须满足正弦条件：
n*y・sinu=n,•y1"sint/
D/f\NA与对准精度、调焦精度.分辨率.光学传递函数密切相关，而且是D/f\
NA越大，对准、调焦精度越髙，分辨率越高，像质越好。
3•调焦：
焦深是对应久/K（K=4~8）波前误差的像点位垃变化量。
望远物镜、照相物镜的焦深表示为：
显微物镜的焦深表示为:
"±2%.（心）2
D/f\NA越大,调焦精度越高。
4.分辨率：
理论分辨率:
望远物镜
照相物镜
显微物镜
1.02Z（小
a=（rad）
D
、0.51心、△y=——-（也也）NA
D/f\NA越大，分辨率越高。
5.像质：
星点直径
望远、照相物镜：
d=2・44/l・F
显微物镜：
d=\22"NA
衍射受限系统的光学传递函数:
rc一截至空间频率＜=—（D—出噬直径，d—出瞳而到像平而的距离）kd
对于无限远目标成像，d可用厂替代，贝IJ：
1
If
见图1-3。
比越大,像质越好。
图1-3
一七汾吉
所谓自准直就是利用光学成像原理使物和像都在同一个平而上的方法。
例如自准直望远
镜（见图2-1（a））,是利用无限远的物经平面镜反射仍成像在无限远这个成像原理实现自
准直的。
又如自准直显微镜（见图2-1（b）＞则是利用位于球面镜球心处的物经球面镜反射
仍成像在球心处这一原理来实现自准直的（也可利用位于平而镜表而上的物仍成像在表而上，位于球而镜顶点的物仍成像在球而顶点等成像原理）。
由上述可见，要实现自准直，首先要将分划板照明，于是在自准直仪的物方便形成分划板的像，这个像对于放在自准直仪前面的平而镜或球而镜（见图2-1）来说则是“物”。
根拯前面所讲“物和像都在同一个平而上”这一原则，反射回来的光将在物镜的像而上形成分划板刻线的自准直像，而且自准直像与分划板刻线本身位于同一平而上，因此通过自准直目镜看去，二者是同样淸晰的。
自准直目镜是一种带有分划板及分划板照明装置的目镜。
一般自准直目镜不能单独使用，与望远物镜配合使用可构成自准宜望远镜，与显微物镜配合使用则构成自准直显微镜。
它们统称为自准直仪。
图2-1自准直望远镜
和自准直显微镜的光路
常见的照明方式有三种，相应地就有三种自准直目镜。
现以组成自准
直望远镜为例，分别介绍如下：
2.1.21、高斯式自准直目镜（简称高斯目镜）
见图2-2（a）,光源（乳白灯泡或小灯泡加毛玻璃）经与光轴成45°角放置的分朿板反
射照明分划板，它经物镜成像在无限远，再经平而镜反射回来，又在分划板上生成其自身的像°成像光线透过分朿板射向目镜，眼睛通过目镜观察，既可看到分划板上刻线同时又可看到刻线的自准像。
图2・2髙斯式自准直目镜、自准直望远镜和自准直显微镜的光路
如果平而镜与自准直望远镜的视轴（分划板刻线中心与物镜后肖点连线）垂直，则刻线自准像的中心与刻线自身的中心重合。
这种自准直仪的主要缺点是分划板只能采用透明板上刻不透光刻线的形式，不能采用不透明板上刻透光刻线的形式，因而像的对比度较低，且分朿板的光能损失大，还会产生较强的杂光。
2.1.32、阿贝式自准直目镜（简称阿贝目镜）
见图2-3（a）,光源通过照明棱镜（加长的小直角棱镜）照明分划板的一小部分。
在分划板的这部分局部镀铝，并在铝膜上刻出一透光十字线，被照明后，从物镜看去为一亮十字线。
它经物镜和平面镜后返回的自准像，必须成在分划板上不被棱镜遮挡的透明部分，才能从目镜中看到。
如果平面镜垂直于物镜光轴，则亮十字线本身和它的自准像将对称位于物镜光轴与分划板交点的两侧。
二・1・3丄丄1图2・3（a）阿贝自准直
望远镜（b）分划板刻线形式
阿贝目镜的分划板刻线形式之一如图2-3（b）所示。
分划板的中心位于光轴上，透光十字线与十字刻度线对称位于此中心的两侧。
如果平而镜垂直光轴，从目镜将看到亮十字线自准像中心与十字刻度线中心重合。
图中虚线表示照明棱镜的位置。
阿贝目镜的特点是射向平而镜的光线不能沿其法线入射，否则看不到亮十字线像。
阿贝目镜大大改善了像的对比度，且目镜结构紧凑，焦距较短，容易做成髙倍率的自准直仪。
主要缺点是直接瞄准目标时的视轴（十字刻度线中心与物镜后节点连线）与自准直时平而镜
的法线不重合：
且视场被部分遮档。
2.1.43、双分划板式自准直目镜
见图2-4,被照明的第一块分划板上的透光十字线，顺序经过分朿棱镜（反射）、物镜、平面镜、物镜、分束棱镜（透射）后，成像在第二块分划板上。
如果平而镜垂直于自准直望远镜的视轴，则亮十字线像的中心与第二块分划板的刻线中心重合。
因此要求两块分划板都准确位于物镜焦而上，而且二者刻线中心应位于同一条视轴上。
这种自准直目镜能实现视轴与平而镜法线重合，且像的对比度好。
但光能损失较阿贝目镜大，结构较复杂：
其中一块分划板若有垂轴方向移动则造成自准时平面镜法线与视轴不重合，故不如高斯目镜可靠。
二・1.4・1・・1.1图2-4双分划板
式字准直望远镜
一种二维光电自准直仪的光学原理图如图2-5所示（徳国Moller公司HR型光电自准直仪）。
位于准直物镜两个共轨焦而上相互正交的目标狭缝，由发光二极管发射波长660nm的光经传光光纤和聚光镜照明，分別通过分朿棱镜和物镜准直岀射后返回，又分别成像在与目标狭缝共辄的两个线阵CCD探测器上。
其中所形成的一路目标狭缝像光强分布如图1-8所示。
两路CCD接收信号分别经A/D转换成数字信号，再经微电子电路组件精确完成数字信号处理，由液晶屏实时显示，USB、RS-232接口可将两路测量数据传输到计算机分别进行X轴和Y轴个方向的对准。
图2・5二维光电自准直仪光学系统
其中，采用了电子细分技术，使其达到0.01rz的对准精度。
首先，对线阵CCD的1728个像素信号进行信号滤波和降噪处理，然后通过自动增益控制电路，保证幅值稳泄。
其次,对其信号进行4倍频处理，得到6912脉冲当量。
再经图中0-1和0-2的2倍频处理得13824个脉冲当量，以及32倍频处理得442368个脉冲当量。
相当于将每一个像素进行了256电子细分。
若当线阵CCD的一个像素为10Um,则1个数字信号细分后对应的量为0.039Um,按准直物镜焦距804mm折算后得0.01"°
（图中横纵坐标分别为“像素序号"和“归一信号幅值”）
信号滤波和降噪处理1728脉冲当量
自动增益控制
4倍频处理得6912脉冲当量
0-W-2的2倍频处理得13824个脉冲当量
32倍频处理得442368个脉冲当量
0.01秒的光电对准
图2-6获缝像成像在线阵CCD接收器上电子细分原理
图2-7所示是电子细分方法实现光电对准测角的一个例子。
图中光电自准直仪的一维光电对准光路，当反射镜垂直于光轴时，在线阵CCD上得狭缝像的光强分布的对称中心，而当反射镜对光轴发生微小角度&的偏折，则可在线阵CCD上精确测得狭缝像光强分布对称中心的偏移量除以准直物镜焦距得到反射镜的偏折角&°
图2・7光电自准直仪光电对准光路图
三、干涉
干涉测量是一种基于光波叠加原理，分析处理干涉场中的亮暗变化的干涉条纹形状变化或其灰度变化，来获取被测量的有关信息的测量技术。
满足频率相同、振动方向相同以及初相位差恒泄三个条件的两支光会发生稳圮的干涉现象。
在干涉场中任一点的合成光强为
I=I、+12+2y[T^cosM~氐（4-1）
式中△—两朿光到达某点的光程差；人、人一分别为两束光的光强：
2—光波长。
（4-2a）
（4-2b）
（4-3）
「涉条纹是光程差相同点的轨迹，以下两式分别为亮纹和暗纹方程
△=mA
式中加一干涉条纹的干涉级。
干涉仪中两支光路的光程差△可表示为
△=2?
也-2?
仏
iJ
式中心、勺一干涉仪两支光路的介质折射率：
厶、/j一干涉仪两支光路的几何路程。
当把被测量引入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差则发生变化，干涉条纹也随之变化。
通过测量干涉条纹的变化量，可以获得与介质折射率“和几何路程/有关的各种物理量和几何量等。
为了获取明亮、清晰和稳泄的干涉条纹，在测量中需要采取保证良好干涉条件的一些技术措施。
其中，尤以干涉条纹是否淸晰为主要特征，以下用对比度来表征并分析影响干涉条纹淸晰的各种因素，并指岀改善其对比度的技术措施。
干涉测量条纹的质量首先体现其条纹的对比度是否良好。
干涉条纹对比度定义为
式中，-ax和/min分别为静态干涉场中光强的最大值和最小值，也可以理解为动态干涉场中某点的光强最大值和最小值。
当Anin=°时K=l，对比度最大；而当/max=/m,n时K=0,条纹消失。
在实际应用的干涉仪中，由于种种原因，所观察到的干涉图样对比度都小于1。
对目视干涉仪可以认为,当K>0.75时，对比度就算是好的：
而当K>0.5时，可以算是满意的：
当K=o.l时，条纹尚可辨认，而在这样的干涉仪上工作，已经相当困难了。
而对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。
对于所有类型的干涉仪,干涉条纹图样对比度降低的普遍原因是:
①光源的时间相干性和空间相干性：
②相干光束的光强不相等；③杂散光的存在；④各光朿的偏振状态有差异。
另外还有一些因素，如振动、空气扰动以及干涉仪结构的刚性不足等，都有可能导致干涉图样的对比度降低甚至消失。
在下而的讨论中，在分析一个因素的影响时将列外的因素看成是理想的。
（一）光源单色性与时间相干性的影响
干涉测量中实际使用的光源都不是绝对单色，而是有一左的谱线宽度，记为AX。
图4-1所示中实线1和实线2分别对应X和X+AX两组条纹的强度分布曲线，苴他波长对应的条纹强度分布曲线居于两曲线之间°干涉场中实际见到的条纹是这些干涉条纹叠加的结果，如图4-1中实线3所示。
图4-1各种波长干涉条纹的叠加
由图4-1可见，在零级时，各波长的极大值重合，之后慢慢错开，干涉级愈高，各波长极大值错开的距离愈大，合强度邮值逐渐变小，对比度逐渐下降。
当X+AX的第m级亮纹与X的第m+1级亮纹重合后，所有亮纹开始重合，而在此之前则是彼此分开的。
以上条件可作为尚能分辨干涉条纹的限度，即
（m+1）X=m（X4-AX）（4-5）
由此得最大干涉级X/A入，与此相应的尚能产生干涉条纹的两支相干光的最大光程差
（或称光源的相干长度）为
上式表明，光源的相干长度与光源的谱线宽度成反比。
显然，光源的相于长度不仅决左于光源的谱线宽度，还受其谱线的功率分布的线型，激光光源的模系结构和稳频状态等的影响。
有研究表明.大致可给出以下扩展的相干长度讣算公式
（4-7）
式中，Kc除谱线呈矩形分布线型取1・0外，一般多取0.3〜0.6之间。
表4-1列出了一些干涉仪光源的相干长度，并列出了其辐射亮度的参考数值。
例如，用镉同位素灯作干涉光源，按其波长643.8nm,光谱宽度0.0013nm,按Kc取1算出英相干长度300mm.镉红光是普通单色光源中较好的相干光源，但与激光相比，相差甚远。
一个单模稳频He-Ne激光器的波长632.8nm，其光谱宽度10'3nm,按Kc取1算出貝相干长度40km。
对于实际使用的各种激光器，由于存在务种不稳泄因素，导致谐波频率的波动，使得谱宽远大于理论值，再加之谱线宽度的功率分布线型的复杂性。
在实际使用的激光干涉仪中，甚至可能出现相干条纹淸晰状态随光程变化呈周期状的复杂现象。
因此，激光器的实际相干长度拟通过实际的试验来确左为好。
表4-1常用干涉光源的相干长度和辐射亮度
光源
波长nm
相干长度mm
白炽灯加干莎谑光片
550
0.06
1X10$
彖灯
超髙压汞灯
546.1
1
2.5X107
低压亲灯
S46.1
50
5X10-6
&谱线
587.56
—
―
伯灯
D満线
S89.3
<10
—
Hg«w
546.1
500
J.5X10•
单色
网位素灯
Cdlu
€44.0
330
2.9X10"
KrM
60S.7
710
3X10-7
He-Ne
632.8
>1X10*
1X104
半导体
633,670.1530等
5左右
>5mW（功率〉
通常，激光光源有足够长的相千长度，故不必调整两支光路的相干光程相等。
而对诸如低压汞灯和纳灯之类单色性较差的光源，则必须调整两支相F•光程尽量一致。
在物理光学中，把光通过相下长度所需要的时间称为相干时间，其实质就是可产生干涉的波列持续时间。
因此，在干涉仪中选择光源，以及相干光路的设汁时，为保证获取良好的干涉条纹图形，应使该光源同一发光原子（点）发出的光波分离后又汇合的光波间光程差不超过光源的波列长度为原则，对此所采取的技术措施，称苴为保证时间相千性。
（二）光源大小与空间相干性的影响
干涉图样的亮度，除与所用光源的辐射强度/功率有关外，还在很大程度上取决于有效利用光源的几何尺寸，而光源的几何尺寸大小又会对各类干涉仪的F涉图样的对比度有不同的影响。
由平行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，瓦干涉图样都有很好的对比度。
而杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下才能看淸干涉图样。
由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情况之间。
如图4-2所示，光源是被均匀照明的直径为2r的光阑孔，光阑孔上不同点S经准直物镜后形成与光轴不同夹角0的平行光朿。
不同0角的平行光束经干涉仪形成彼此错位的等厚干涉条纹，经叠加后形成的干涉条纹如图4-3所示。
当光阑孔较小时，干涉条纹的对比度较好（见图4-3（a））：
随着光阑孔增大，干涉条纹的对比度下降（见图4-3（b））,直至对比度趋于零（见图4-3（c））。
如取对比度为0.9,可得光源的许可半径为
图4-2等厚T•涉仪中的扩展光源
可见，光源的许可半径正比于准直物镜的焦距f',反比于等效空气层厚度h的开方。
空气层厚度越小，光阑孔越可设置较大，干涉条纹也有较髙的亮度。
在干涉测量中，采取尽量减小光源尺寸的措施，固然可以提高条纹的对比度，但干涉场的亮度也随之减弱，也不利于观测。
如能设法改变参考光路或测量光路的光程，使两支光的等效空气层厚度减薄，可以达到适当开大光阑孔的目的。
为此，在干涉仪中采取的相应技术措施，称之为保证空间相干性。
（a）（b）（c）
图4-3光阑孔径大小对干涉条纹对比度的影响
⑻光阑孔径较小时，干涉条纹的对比度较好：
（b）随着光阑孔径的増大，F涉条纹的对比度下降：
（c）随
着光阑孔径再增大，对比度趋于零
（三）干涉条纹的定域
对于分振幅装置，我们把对比度与观察而位巻有明显关系的干涉条纹称为左域条纹。
把对应最大对比度的观察面称为干涉条纹的定域而，把能够观测到具有某个阈值以上的对比度的干涉条纹的空间称为左域范国。
对比度基本上不随观察而位苣改变的干涉条纹称为非定域条纹（如等倾条纹）。
•楔形板的立域而
光源中心SO发出一条任意光线被楔形板上、下表而（0A而、OB而）反射，反射光线的交点是左域而上的一点。
一般情况下，泄域而是一个圆（见图44）,它是0A和0B面的交点0和光源Su经OA、OB面反射的镜像Sa、Sb构成一个等腰三角形，定域而就是等腰三角形OS,\Sb的外接圆。
对于位在空气中的折射率为血的楔形玻璃板，只要楔角a很小，入射角iu也很小（接近于垂直观察），这时两表面反射光线的夹角基本上与io无关，等于2n2a.因此，泄域而依旧为一个圆周的一部分。
当光源而积和楔形板尺寸都不太大时，左域而可以用平而近似（见图4-5,图中比、P2就为立域面上的两点）。
立域面上的「涉条纹的对比度仍然受到光源而积的限制，扩展光源越小，条纹对比度越高。
实际测量中只有楔形板需要干涉场与定域而共馳，因为多数情况下左域而都在第二个反射而上或者在英附近，当检测平面面形时，只要将被测件放在标准平而的下方（见图），这时泄域而与被测平而基本重合，亦即与光学元件的瞳而基本重合。
测量光学系统的波像差和球而的而形偏差时龙域而会离瞳面较远,这时应该使干涉场与被测件的瞳面共轨，也就是说无论检测什么系统元件都要求干涉场与其瞳面共轨，如果此时干涉条纹对比度不好，只有减少光源尺寸来提高条纹对比度。
（四）标准参考面的获得
目前，干涉测量平而而形，非球而而形和光学系统的波像差，如何获得合格的标准参考而问题，都已基本解决。
惟独检测球而而形时，计量院、研究所和工厂都处在同一水平上,就是说还没有建立球面而形的基准，这是很不正常的。
自从小芯径（直径在4pm以下）阶跃光纤岀现以后，美国Lawrance-Livermore国家实验室造出第一台激光光纤点衍射移相干涉仪，其光纤端而衍射产生的标准球而波的波差小于
（1X105）儿NA=0・4,测量精度0.25nm（rms）o
（五）相干光束光强不等和杂散光的影响
设两支相干光的光强关系为I2=nIp则有
（4-9）
2yjn
nTT
图4・7中所示实线表示了干涉条纹对比度K随两支光朿强度比n的变化。
当n=2・5时,对比度仅降低10%。
这种情况，如柯氏干涉仪和林尼克干涉显微镜，一支光束从镀铝的镜而（反射率为90%）上反射，另一支光束从抛光的钢零件表而（反射率约40%）上反射，形成的干涉条纹的对比度是好的。
经验表明，当n=5时，对比度仍是好的（K=O・75）。
图4-7对比度K与两支T•涉光强比n的关系
可见，没有必要追求两支相干光束的光强严格相等。
尤其在其中一支光朿光强很小的情况下，人为降低另一支光朿的光强，甚至是有害的。
因为这会导致不适当地降低「涉图样的
照度，从而提升了人眼的对比度灵敏阈值，不利于目视观测。
另外，必须指岀在干涉测试中，常伴有非期望的杂散光进入干涉场。
例如，干涉光束在干涉仪光学零件表而上的有害反射，或者外界环境的漫射光均有可能进入干涉场。
设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为r=ml）,由式（4-1）和式（4-4）可得
K=“（4-10）
1+/2+m
当n二1时，有
K=^—（4-11）
2+m
由图4-4可见，在两支光强比n较小时，杂散光对条纹对比度的影响远比两支干涉光的光强不相等的影响要严重得多。
如容许K值降低10%,则杂散光的强度不得超过千涉光朿之一的强度的20%o因此，必须重视在千涉仪中采取抑制和消除非期望的杂散光的技术措施。
在干涉仪中各光学零件的每个界而上都产生光的反射和折射，其中非期望的杂散光线，能以多种可能的路径进入干涉场。
尤其当采用时间相干性好的激光光源的情形，极易使系统中出现寄生条纹。
解决杂散光的主要技术措施有：
①光学零件表而正确镀增透膜或析光膜;②适当设置针孔光阑：
③正确选择分朿器。
以泰曼干涉仪中的平行平板分束器为例，如图4-5所示,AA面镀析光膜,，BB而镀增透膜。
增透膜的作用是为增强两支干涉光束①和③的光强，减弱BB而反射引起的②和④两支杂散光的光强：
析光膜的作用是调整AA面的反射比与透射比接近相等，从而使两支光干涉光朿①和③的光强接近相等。
相干光强不等影响干涉条纹对比度，也包括两支相「•光束的偏振态不一致造成的影响。
表4-2列出了汁算某种干涉仪的两支线偏振相干光路不同偏振条件下的条纹对比度。
在部分
偏振光的情形，显然在合理安装偏振片的情形.可以显著改善干涉图样的对比度。
表4-2不同偏振条件下的条纹对比度
小（°）
0
15
30
45
60
75
90
备注
K：
1
1
1
1
1
1
1
前后有偏振片
K：
1
0.97
0.87
0.71
0.50
0.26
0
前有偏振片
1
0.77
0.58
0.11
0.27
0.13
0
后有偏振片
K,
1
0.71
0.50
0.29
0.13
0.03
0
无偏振片
六、偏振
偏振光分析法主要用来直接确怎被测试样的偏振特性参数（主要指双折射相位差和偏振主方向），然后间接得到被测试样的其它物理特性。
这里，用绕如何测量被测试样的双折射相位差和偏振主方向的问题来介绍偏振光分析法的基本原理。
分析试样双折射特性常用的仪器是偏光仪，主要有平而偏光仪、单圳波片偏光仪、双波片偏光仪三类。
2.1.5平面偏光法
最简单的偏振光分析法是平而偏光法，所构成的仪器称为平面偏光仪（PlanePolarimeter）,由偏振方向呈一定角度的起偏器和检偏器组成，被测样品宜于二者中间，如图6-1所示。
若起偏器和检偏器的偏振方向相互正交，则在不放入试样的情况下，透过检偏器看到的将是暗视场，这种布局称为暗视场平而偏光仪。
反之，若起偏器和检偏器的偏振方向相互平行，则称为亮视场平而偏光仪。
起偏器试样检偏器
图6・1暗视场平而偏光仪
假设被测试样的双折射相位差°和主方向。
均是关于空间坐标（x,y,z）的连续变化函数如图6-1所示，起偏器P主方向与参考坐标系x轴的夹角为90°，检偏器A主方向与x轴的夹角为0。
，试样主方向（快轴方向）/为x轴之间的角度为°。
设通过起偏器的线偏振光的
琼斯矢量为□」，即线偏振光振动方向平行于y轴且光强为单位值1，该线偏振光沿z方向通过相位差为°（儿〉'）的被测试样，试样的琼斯矩阵为
cos'&"+sin'&sin&cos8（e®-l）
sin&cos&（”°-l）sin'+cos0
检偏器的琼斯矩阵为2
_I0_
00
于是，根据琼斯矢量与琼斯矩阵运算规则，检偏器出射光波可表示为
可
「10_
cos20ep+sin20sin&cos&（R®-1）
O
_1
sin（2&）（才一
00
sin&cos&（e®-1）sin'&严+cos'&
1
_2
0
因此检偏器的输出光强为
/=|E；|2+|E：
.|2=sin2（26>）sin2-
2（6-1）
由上式可以看出，当&=°或％时，也就是试样上某一点的主方向与线偏振器偏振方向平行或垂直时，将岀现消光现象。
这些点通常位于连续的曲线上并形成暗条纹，这种暗条纹称为等倾线。
等倾线与波长和位相差无关。
从上式还可看出，当9=3J*为零或任意正整数时，也将岀现消光现象。
因此试样上所有双折射光程差为波长的整数倍的点也将形成暗条纹，这些暗条纹称为等色线。
通常试样上被测点的双折射相位差是随空间坐标连续变化的，因此等色线是连续光滑的曲线。
由于双折射相位差°与波长相关，如果使用白光光源，将有
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