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1、光电测试技术 第1章基本光学量的测试技术 2020 5 23 2 1 1光电系统的对准和调焦技术 2020 5 23 3 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 对准又称横向对准 是指一个目标与比较标志在垂直瞄准轴方向的重合或置中 调焦又称纵向对准 是指一个目标与比较标志在瞄准轴方向的重合 调焦的目的主要是使物体 目标 成像清晰 其次是为了确定物面或它的共轭像面的位置 后者往往称为定焦 对准以后 眼睛的对准不确定度是以对准残余量对眼瞳中心的夹角表示的 定焦以后 眼睛的调焦不确定度以目标和标志到眼瞳距离的倒数之差表示 眼睛通过光学系统去对准或调焦的目的是利用系统的有效放大率和有利
2、的比较标志以提高对准和调焦的准确度 2020 5 23 4 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 眼睛通过光学系统去对准或调焦的目的是利用系统的有效放大率和有利的比较标志以提高对准和调焦的准确度 所以对准和调焦不确定度应以观察系统的物方对应值表示 y F R0 R 1 观察系统物方的对准和调焦不确定度的表示 x 2020 5 23 5 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 1人眼的对准不确定度和调焦不确定度常见的对准方式和人眼的对准标准不确定度见表 a a 2020 5 23 6 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 1人眼的对准不
3、确定度和调焦不确定度最简便最常用的调焦方法是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 调焦不确定度是由于存在几何焦深和物理焦深所造成的 几何焦深是指当弥散圆直径等于人眼分辨极限时 目标至标志的距离 x的两倍2 x 由几何焦深造成的人眼调焦标准不确定度为式中 以m 1为单位 这时l1 l2和De的单位为m e的单位为rad 2020 5 23 7 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 1人眼的对准不确定度和调焦不确定度根据衍射理论 由于眼瞳大小有限 即使是理想成像 一物点在视网膜上的像也不再是一个点而是一个艾里斑 当物点沿轴向移动dl后 在眼瞳面上产生的波
4、差小于或等于 K 常取K 6 时 人眼仍分辨不出此时视网膜上的衍射图像与艾里斑有什么差别 即如果目标与标志相距小于dl时眼睛仍认为二者的像同样清晰 通常将2dl称为物理焦深 由物理焦深造成的人眼调焦的标准不确定度由下式求得式中 l2 l1 dl De为眼瞳直径 De与波长 的单位皆为m 2020 5 23 8 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 1人眼的对准不确定度和调焦不确定度由清晰度法产生的人眼调焦合成标准不确定度为几何焦深和物理焦深造成的调焦标准不确定度的平方和再开方 即 m 1 2020 5 23 9 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1
5、1人眼的对准不确定度和调焦不确定度消视差法是以眼睛在垂轴平面上左右摆动也看不出目标和标志有相对横移为准的 1 由于无相对横移时目标不一定与标志同样清晰 所以消视差法不受焦深的影响 2 由于消视差法把纵向调焦变成横向对准 从而可通过选择准确度高的对准方式来提高调焦准确度 设眼睛摆动距离为b 所选择对准方式的对准标准不确定度为 定焦时目标和标志到眼睛的轴向距离分别为l1和l2 此时人眼直接观察的调焦标准不确定度可由定义式为式中 的单位为rad b的单位为m 2020 5 23 10 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 2望远镜的对准不确定度和调焦不确定度人眼通过望远镜或显微
6、镜去对准和调焦是为了提高对准与调焦准确度 1 望远镜的对准标准不确定度设人眼直接对准的对准标准不确定度为 望远镜的放大率为 通过望远镜观察时物方的对准标准不确定度设为 则有 2020 5 23 11 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 2望远镜的对准不确定度和调焦不确定度2 望远镜的调焦标准不确定度 清晰度法将人眼的两部分调焦标准不确定度分别换算到望远镜物方 即可求出望远镜用清晰度法调焦的标准不确定度 换算公式为由此可得到望远镜物方的调焦标准不确定度 2020 5 23 12 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 2望远镜的对准不确定度和调焦不确定
7、度上式中选取眼瞳和望远镜的出瞳直径较小者 望远镜调焦的合成标准不确定度为 2020 5 23 13 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 2望远镜的对准不确定度和调焦不确定度2 望远镜的调焦标准不确定度 消视差法将人眼的消视差法调焦不确定度换算到望远镜物方注意 眼瞳的有效移动距离b不等于眼瞳的实际移动距离t 而等于出瞳中心到进入眼瞳的光束中心的距离 如图所示 2020 5 23 14 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 2望远镜的对准不确定度和调焦不确定度2 望远镜的调焦标准不确定度 消视差法调焦标准不确定度的眼睛最大移动距离是眼瞳中心移至位于出瞳
8、边缘处 若De 2mm 则有 2020 5 23 15 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 3显微镜的对准不确定度和调焦不确定度1 显微镜的对准标准不确定度设显微镜的总放大率为 其中物镜的垂轴放大率为 通过显微镜观察时物方的对准标准不确定度设为 y 则有式中 250 fe fe 为目镜焦距 250mm为人眼的明视距离 为人眼的对准标准不确定度 rad 2020 5 23 16 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 关于对准标准不确定度的讨论由公式可以看出 对准的标准不确定度与放大率 成反比 是否可以认为 只要单纯增大 对准的标准不确定度必然减小呢 实践
9、证明 对准标准不确定度的减小还受到光学仪器分辨率的限制 因为即使光学仪器像质优良 对准和分辨也都存在着目标经物镜成像的清晰度受衍射影响这一因素 所以两者有一定的联系 实验结果指出 像质优良的望远镜和显微镜的单次对准标准不确定度最小只能达到它的理论分辨率的1 6 1 10 即 2020 5 23 17 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 3显微镜的对准不确定度和调焦不确定度2 显微镜的调焦标准不确定度 清晰度法设显微镜物空间的折射率为n时 经过推导可得 2020 5 23 18 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 1 3显微镜的对准不确定度和调焦不确定
10、度2 显微镜的调焦标准不确定度 消视差法消视差法求调焦标准不确定度的方法与清晰度法的方法相似 换算到显微镜物方有再利用可得 2020 5 23 19 1 1光电系统的对准和调焦技术1 目视系统的对准和调焦 关于两种调焦方法不确定度的讨论 由于消视差法可通过选择有利的对准方式使对准标准不确定度 大大减小 因此 系统出瞳直径D 2mm时 用消视差法准确度高 D 1mm时 用清晰度法准确度高 1mm D 2mm时 两种方法准确度相差不多 实际进行目视法调焦时 往往两种方法同时采用 就是说 首先调至目标与标志同样清晰 再左右摆动眼睛看二者间有无视差 最后以 清晰无视差 定焦 2020 5 23 20
11、1 1光电系统的对准和调焦技术2 光电对准 光电探测不仅可以代替眼睛进行对准 定焦和读数 还可以大大提高对准 定焦准确度 实现测量的自动化 提高工作效率 而且是实现计算机实时控制和处理的前提 目前 光电对准装置可分为光电显微镜和光电望远镜两大类 两类仪器对准标准不确定度分别达到0 01 m 0 02 m和0 05 0 1 光电对准分类 光度式 普通光度式 差动光度式相位式 2020 5 23 21 1 1光电系统的对准和调焦技术2 光电对准 2020 5 23 22 1 1光电系统的对准和调焦技术3 光电定焦 定焦实质上是确定物镜的最佳像面的位置 事实上 确定最佳像面的标准有多种 如最高对比度
12、像面最高分辨率像面最小波像差像面最小弥散圆像面最大调制传递函数像面点像光斑中心照度最大值像面等 对于一个有剩余像差和加工误差的实际物镜来说 通常这些像面并不重合 实验确定最佳像面时 像面位置还与照明光源的光谱成分和接收器的光谱灵敏度有关 2020 5 23 23 1 1光电系统的对准和调焦技术3 光电定焦 光电定焦的方法有多种 如扇形光栅法小孔光阑法刀口检验法MTF法等 这里以扇形光栅法为例介绍光电定焦方法 该方法已广泛用于测量照相物镜的工作距离 从最佳像面到物镜框端的距离 同时 还能测量和研究其它光学特性 如弥散斑直径 OTF 焦距等 2020 5 23 24 1 1光电系统的对准和调焦技术
13、3 光电定焦 a b c 用扇形光栅确定像面 0 amax a0 0 200 2 a f 50 a 100 d R d d 2020 5 23 25 1 2焦距和顶焦距的测量 2020 5 23 26 1 2焦距和顶焦距的测量1 概述 关于光具座 2020 5 23 27 1 2焦距和顶焦距的测量1 概述 关于分划板平行光管的分划板形式多样玻罗 Porro 分划板形状如图所示 它上面刻有四组间隔不同的平行线 这四对平行线的间隔距离分别为 y01 3mm y02 6mm y03 12mm y04 30mm 刻线间隔的准确度要求是很高的 相对于实际要求值的标准不确定度为0 001mm 2020 5
14、 23 28 1 2焦距和顶焦距的测量1 概述 平行光管测量中的注意事项 1 平行光管 被测透镜和观测系统三者的光轴基本重合 2 通过被测透镜的光束尽可能充满被测透镜的有效孔径 观测系统也尽可能不切割被测透镜的成像光束 3 平行光管焦距最好为被测透镜焦距的2 5倍 2020 5 23 29 1 2焦距和顶焦距的测量1 概述 平行光管测量中的注意事项 4 测量时 最好按被测透镜实际工作状况安排测量光路 例如作望远物镜用的双胶透镜 若工作时它的正透镜对向无限远的物体 测量时就应使它的正透镜对向平行光管或前置镜 如果放反了 就会因像差增大而影响测量结果 5 测量焦距时所用的玻罗板往往刻有成对的刻线
15、安置玻罗板时 应使光轴通过这些成对刻线的对称中心 最外面一对刻线的间距应远小于平行光管的有效视场范围 否则轴外像差将严重影响测量结果 6 如果测量时观测系统的出瞳直径等于或大于2mm 则调焦时 不仅要成像清晰而且要无视差 2020 5 23 30 1 2焦距和顶焦距的测量2 放大率法 放大率法是目前最常用的方法 因为它所需设备简单 测量范围较大 测量准确度较高而且操作简便 这种方法主要用于测量望远物镜 照相物镜和目镜的焦距和顶焦距 也可以用于生产中检验正 负透镜的焦距和顶焦距 2020 5 23 31 1 2焦距和顶焦距的测量2 放大率法 2020 5 23 32 考虑到读数显微镜的参数 公式
16、变为式中 是所用显微物镜的倍率 k是测微目镜的测微丝杠螺距的倒数 D是测微目镜对的读数焦距合成标准不确定度 1 2焦距和顶焦距的测量2 放大率法 2020 5 23 33 平行光管焦距的相对标准不确定度可达到 0 1 仪器的分划板刻线间距的标准不确定度 0 003mm 考虑到对准不确定度和估读不确定度 取 0 005mm 由于用标准尺进行放大率 和测微器读数的综合校正 故 0 1 当f 1200mm时 取 1 y0 6mm 得D 24mm当f 5mm时 5 y0 30mm D 2 5mm 则以上计算结果说明 GXY 08A型光具座测量焦距的合成标准不确定度可以达到0 3 1 2焦距和顶焦距的测量2 放大率法 2020 5 23 34 本方法主要用来测量负透镜的焦距 本方法的测量不确定度与放大率法相当 其主要来自正透镜焦距的不确定度的影响 1 2焦距和顶焦距的测量3 附加透镜法 2020 5 23 35 精密测角法是通过测出被测物镜所观察的两条刻线的夹角 再通过计算而求得被测物镜焦距的一种方法 精密测角法测量焦距的相对不确定度可达0 1 1 2焦距和顶焦距的测量4 精密测角法 精密测角法
