光学测量原理和技术

1、第一章、 对准、调焦 ? 对准、调焦的定义、目的； 1. 对准又称横向对准，是指一个对准目标与比较标志在垂直瞄准轴方向像的重合或置 中。目的：瞄准目标（打靶）；精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量） 2、调焦又称纵向对准，是指一个目标像与比较标志在瞄准轴方向的重合。 目的： -使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位于同一空间 深度； -使物体（目标）成像清晰； -确定物面或其共轭像面的位置一一定焦。 人眼调焦的方法及其误差构成； 清晰度法：以目标和标志同样清晰为准则； 消视差法：眼睛在垂直视轴方向上左右摆动，以看不出目标和标 志有相 对横 移为准则。可将纵向调焦转

2、变为横向对准。 清晰度法误差源：几何焦深、物理焦深； 消视差法误差源：人眼对准误差； 几何焦深：人眼观察目标时，目标像不一定能准确落在视网膜上。但只要目标上一点在视网膜上生 成的弥散斑直径小于眼睛的分辨极限，人眼仍会把该弥散斑认为是一个点，即认为成像清晰。由此 所带来的调焦误差，称为几何焦深。 1 =1 12 -1 h =才 De 物理焦深：光波因眼瞳发生衍射，即使假定为理想成像，视网膜上的像点也不再是一个几何点，而 是一个艾里斑。若物点沿轴向移动 I后， 分辨不出视网膜上的衍射图像有什么变化。 眼瞳面上产生的波像差小于 入/K（常取K=6），此时人眼仍 （清晰度）人眼调焦扩展不确定度: 2

3、= I2 8 h - kdI （消视差法）人眼调焦扩展不确定度： 人眼摆动距离为b，所选对准扩展不确定度为 S e，二 _ b e 瓦丿 C- 、2 8人 2 KDe丿 ? 对准误差、调焦误差的表示方法； 对准：人眼、望远系统用 张角表示；显微系统用物方 垂轴偏离量 表示； 调焦：人眼、望远系统用 视度表示；显微系统用目标与标志 轴向间距 表示 承帝冒 人IH珅准扩増平番迟鹰 区疑对准 单线与車统申件对唯 谕暉対淮 15 九雄宽不直大于 2.分界樂翻应细向总亦 itr 1.三絃严略F冇 2两平打歧屮心间距芹 于堆立度的1,6倍 罠it对准 与义红啊角平 蛍醴艮爛对准 icr 直轨弓展肚严崎平存

4、 ? 常用的对准方式; 、2 ? 光学系统在对准、调焦中的作用 望远系统：对准扩展不确定度 调焦 显微系统：对准 =2 :2 人 fe w- 250. e 调焦 .：x3 D eq NA D 1 n ef eq 2NA / 2 2n 星点检验 基本、直观简便、灵敏度较高， 全面 主观、定性或半定性评价法，对检测人 员专业技能要求较高 分辨率法 定量、简单方便 主观性大，信息量少 光学传递函数法 客观、定量 设计原理复杂，测量过程复杂（目前已 改善） ? 理想衍射受限系统及其星点像特点； 不存在几何像差和其它一些工艺疵病，只需要考虑光学衍射效应的理想光学系统。一些 小像差的光学系统，比如它们的波

5、像差小于 /6，或者满足斯特雷尔容限，也可 以近似认为是理想衍射受限系统。 理想衍射受限系统焦平面光强分布： 沿光轴方向服从sine分布，焦平面上服从一阶贝塞尔函数。 ? 星点检验装置； 使用测量显微镜： 使用测量望远镜: ?星点检验条件； 1、星孔大小要适中 星孔允许的最大角直径必须小于等于艾里斑第一衍射暗环角半径的二分之一。 1 :max1=0.61 /D 2 d max 二max 2、不能切割光束； 观察显微物镜数值孔径的选择: 3、观察显微镜/前置镜的放大倍率要足够大； 视放大率以人眼观察时能分开星点像第一、二衍射亮环为准 3.1观察显微镜视放大率的选择 3.2前置镜视放大率的选择 被

6、测望远镜 D 2 D为被测望远镜的出瞳直径以 mm为单位，飞人眼极限分辨角，以分为单位。 4、观察显微镜/前置镜的成像质量优良； 5、装调准确。 ? 星点检验能检什么像差，不能检什么像差？ 能检像散、慧差、球差，不能检畸变、场曲 补充：星点检验优点： ? 测量装置简单、操作方便、直观 ? 能反映大多数像差、工艺疵病等成像质量问题，比较全面 ? 灵敏度较高 缺点： ? 星点像复杂，反映了大量信息：球差、慧差、像散、离焦、材料缺陷、装配误差 内应力、杂光 ? 主观、定性分析 ? 星点检验对慧差、像散、球差灵敏，不能反映畸变、场曲 第九章、分辨率测量 ? 三类光学系统的光学分辨率表示形式; 望远系统

7、用望远物镜后焦面上刚能分辨开的两个衍射斑的中心距b对物镜后主点的张 角来表示分辨率 objective 照相系统 显微系统 用像面上刚能分辨开的两个衍射光斑中心距b的倒数来表示分辨率 N =丄 a 直接用物面上刚能分辨开的两个物点间的距离来表示分辨率 ? 空间频率； T 二 0.1 mm 1 f 10 Cycles / mm ? 理想衍射受限系统的分辨率定义； 理想衍射系统中，两个独立发光点通过光学系统成像得到两个衍射光斑。分析理想衍射系统能分 辨的最小间距，即为理想系统的理论分辨数值。 ? 三类光学系统的理论光学分辨率计算；、 瑞利 道斯 斯派罗 望远(rad) 1.22 1.02九 0.9

8、47 D D D 照相 1 1 1 1.22. F 1.02 F 0.947 F (mm 0.61 - NA 0.51 NA 0.47 扎 NA 分辨率测量装置及分辨率板; 毛玻璃n 光源 平行光管 被测系统 .分辨率板准直物镜 聚光镜 理论分辨率分析采用双像点（艾里斑）分析法。 实际测量：在平行光管上，采用分辨率板作为分划板，观察被测系统所成的像，判读所能分辨的最细密条 纹。关键器件一一分辨率板 此种分辨率板，总共有 7块板，各有板号，分别为 A1A7 ,其中条纹的密度逐渐加大。每块板总共 有25个单元，每个单元由四组不同方向的条纹组成。 前置镜/观 察显微镜人眼 P =P0q2 P。=16

9、0um(A号板第1单元线宽) = 0.94387 n =1,2,3,| 川 |,85 1 2p ? 照相物镜轴上分辨率测量与计算; N0为无限远处 N为像面上分辨率 补充： ，-2P 206265() 3、优点：定量、设备简单、要求低 局限性：灵敏度不如星点检验高、不够全面、不能反映低对比度成像性能。 第十章、光学传递函数 ? 点扩散函数； 星点像的归一化能量分布(光强分布)即为点扩散函数 ? 线扩展函数； 对点扩展函数一维方向求积分可得线扩展函数。 或：物平面上的一线光源，经过光学系统成像后，像的一维光强分布。 ? 空间频率； ? 光学传递函数物理意义、基本定义； 定义：光学传递函数(Opt

10、ical Transfer Function, OTF)是一个关于空间频率的复值函数，它的模称为调制 传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)，它的相位称为相位传递函数 (Phase Transfer Function, PTF)。OTF能在整个空间频域范围内全面考察光学系统的成像性能。 点扩展函数PSF(x,y)的傅立叶变换，即为OTF。 fx、fy OTF ( fx, fy ) = MTF ( fx, fy )exp iPTF ( fx, fy ) x、y方向的空间频率_ 物理意义：对比度良好（100% ）的黑白条纹图案，经光学系统成像后，黑白条纹像的对比度降低， 清晰度下降。黑白条纹图案，可以理解为一维方向的方波信号，可由傅里叶级数分解为无数多个不同 空间频率的正弦谐波信号，各正弦谐波信号的调制度均为100% ;这些正弦谐波信号通过光学系统后, 其调制度衰减，且不同空间频率的正弦信号调制度衰减系数不同； ? 调制传递函数与相位传递函数； 定义见上题。 相位传递函数，实际用得较少，因为相位传递函数通常反映了成像中的图像变形，基本 上不反映图像的清晰度。 而调制传递函数对图像的清晰度反映很灵敏，最能反映成像质量状况，因此一般都用 MTF来评价。 ? 特征频率； 选一两个能够反映成像质量的空间