光电测量 第四讲 对准与调焦

一 为什么要研究这个问题 二 基本概念1 对准 横向平面内的目标与比较标志重合程度 垂直于瞄准轴方向 是否瞄准 对准误差 2 调焦 纵向深度内的目标像与比较标志重合程度 是否清楚 调焦误差 三 人眼的对准误差和调焦误差1 对准误差 书上的表5 1 2 调焦误差 清晰度法和消视差法 1 清晰度法 目标与标志同样清晰 几何焦深 弥散圆直径 人眼的极限分辨角a 目标至标志距离的两倍 观察近处物体 b 目标到眼瞳的距离l1和标志到眼瞳的距离l2的倒数之差 看远物 物理焦深 眼瞳大小有限 由于圆孔衍射效应 像为一个艾里斑物体沿轴向移动 l 在眼瞳表面产生的波象差小于或等于 K K 6 衍射图像和艾里斑没有差别 则2 l叫物理焦深 调焦不确定度为 波象差 物点发出的球面波经光学系统后 实际波面已不是理想的球面波 称实际波面与理想波面之间的光程差叫波象差 不确定度合成 波象差计算公式 介质折射率折射率 像方孔径角 2 消视差法 眼睛在垂直平面上左右摆动b时 看不出目标和标志之间有相对的横移 横向对准 目标不一定与标志同样清晰 不受焦深影响 目标与标志的轴向距离即为调焦扩展不确定度 相当于人眼的极限张角 b 相当于扩大了人眼的瞳孔De 阔的了测量范围 要求更高 1 如何理解 四 望远镜和显微镜的对准与调焦不确定度 望远镜的对准误差 显微镜的对准误差 1 对准误差 考虑放大倍数 对准误差与分辨率的关系像质优良的望远镜和显微镜的单次对准不确定度最小只能达到其理论分辨率的1 6 1 10 2 调焦不确定度 1 望远镜的调焦误差 清晰度法 2 给出证明 望远镜的成像特点 几何焦深 物理焦深 消视差法人眼的左右摆动距离受出瞳的限制眼瞳的实际移动距离不等于其有效移动距离眼瞳中心移至出瞳边缘处的眼睛最大移动距离 2 显微镜的调焦误差 同学们自己看书 光学瞄准方法受人眼的限制 人眼是探测器 精度有限 0 2 0 3 微米光电瞄准方法大大提高了对准精度 并且自动化成为可能 0 01 0 005 微米 利用光电探测器探测 瑞士莱卡 德国蔡司 五 光电对准 1 光电显微镜 用于对准线纹线纹与选定的测量基线间的相对位置转换为电信号 并以电信号的相位 幅值或脉宽比例等作为对准的依据 1 光度式光电显微镜 单光电管对准原理 1 照明系统2 带刻线标尺3 物镜4 析光棱镜5 狭缝6 光电转换元件7 电压显示 单管存在的不足 刻线质量不一致 成像质量 电源电压的波动 电子元件的老化等 使最小值与相应的电压U不稳定 因而导致对准误差 为了消除U值变化对对准精度的影响 常采用双管差动式 3 请大家分析上述4种情况分别怎样影响对准的精度 双光电管差动对准原理 差动方式零点不变 有效消除误差 双管存在的不足 对称性要求高 4 不对称带来什么问题 如何能够消除不对称带来的测量误差 刻尺刻线宽度不同为何引起对准误差 随机误差与系统误差的关系 2 相位式光电显微镜 1 灯泡2 聚光镜3 分划板4 目镜5 8 棱镜6 显微物镜组7 刻尺9 振子10 狭缝11 光电转换元件12 反射镜 1 结构原理 为刻线像中心与狭缝中心的距离 初始零位发生了变化 波形失去对称性 刻线偏离光轴 狭缝振荡式扫描 直线位移位式振子 摆动式振子影像振荡式扫描 光亮法 狭缝宽度 刻线像的宽度和像在狭缝前的振动振幅三者相等 为什么 上 下半周期的时间相等 只有偶次谐波 相敏检波器可以检出与参考信号同相或反相的输入信号 并对信号进行低通滤波 当输入输出相位差为90度时 检波器输出为0 相位脉冲法 失去时间对称性 两次形成的暗点的时间间隔一样 2 扫描振子 2 光电自准望远镜 光电自准望远镜工作原理 波形失去对称将产生直流输出 仪表指示偏离零位 右边的曲线画的不太准确 六 光电定焦 光度式自动调焦系统斜光束自动调焦系统 1 光度式自动调焦系统 原苏联研制 1 正确调焦状态下 J1的像如图中所示位置 此时 1 2 I 0 2 离焦状态 1 2 I 0物近了像远 物远了像近 光强改变 因为光阑在变 I 可以用作调焦的反馈控制信号 2 斜光束自动调焦系统 1 物距正确时 狭缝 在像面I上的像 位于视场中央且影像清晰 2 如果物面在其法线N的方向上离焦 则狭缝 在像面I上的像 弥散斑 将位移一个距离y 位移信号y 可以用作调焦的反馈控制信号 3 上海光学仪器研究所45度光电自动调焦系统 1 分划板8经反射镜7被物镜6成像在物面上 其反射像经物镜5和反射镜3成像在光电复合窗1上 2 正焦时 图b所示 分划板标志Q在光电复合窗的视场中居中 光电探测元件的差分输出电流为零 物面离焦时则不为零 该信号可用作自动调焦 4 动态光电定焦系统 1 CD拾音系统聚焦误差和跟踪误差的检测 像散法 偏心辅助光束法 刀刃法 像散法 唱片与物镜的距离发生变化时 激光束的形状做相应的变化 圆变化到椭圆 偏心辅助光束法 唱片偏离物镜的像方焦平面 反射路径发生变化则探测器的探测能量不均匀 刀刃法 唱片偏离物镜的物方焦平面 则像偏离像方焦平面 发生光的遮挡 七 光电测量应用设计举例 1 线阵CCD用于测量玻璃管的壁厚和外径 请同学们做初步的设计 1 测量范围与测量精度的设计 选最大测量范围 满足最高测量精度 则相对测量精度较高 若不是上述考虑 则可以采用分级的方法 但带来什么问题 CCD的分辨率如何考虑 亚像素精度与单像素精度 视场的设计 物镜分辨率的选择 不低于像方单位长度内能分开的线数 CCD的分辨率除以放