光电测试技术-第1章 基本光学量的测试技术
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光电检测技术基础
光电检测技术基础
3、杂质半导体 在本征半导体中掺入一定数量的杂质就会使半导 体的导电性能发生显著的变化，使它具有制造晶体 管时所需要的特性，并且因掺入杂质元素的不同， 可形成电子型半导体(N型半导体)和空穴型半导体 (P型半导体)两大类（均成电中性）。
① P型半导体 如果在纯净的硅(或锗)中掺入少量的三价元素硼(或 铝等)，就能得P型半导体，当硼(B)原子占据硅原子的 位置并和四个相邻的硅原子共价结合时，由于硼只有三 个价电子，要从附近硅原子中拿一个价电子来填补，这 祥就在这个砖原子中产生了一个空穴，掺入的每一个硼 原子都产生一个空穴，所以掺杂的半导体中空穴的数目 就大大增加．由于这些杂质原子必须接受一个电子才能 与相邻的四个原子组成共价键，所以三价元素的硼叫做 受主杂质，接受一个电子的杂质原子叫做受主离子。这 种半导体主要是靠空穴导电的，所以也叫空穴型半导体。
光电检测技术基础
共价键中的价电子因受热作用而成为自由电子 的过程称为本征激发或热激发。价电子冲破束缚成 为自由电子后，在其原来的位置上留下了一个空位， 我们称它为空穴．空穴是带正电荷的，可以自由移 动。电子、空穴成对产生。
光电检测技术基础
本征激发使半导体内不断产生电子和空穴，同 时它们又不断地进行着复合。产生和复合这对矛盾 的对立统一，使半导体在一定温度下达到载流子数 目的动态平衡。从而维持了一定数量的自由电子和 空穴这种状态称为热平衡。 必须指出，常温下本征半导体中的电子、空穴 是很少的，因而本征半导体的导电能力是很差的， 所以它不能直接用来制造晶体管。
光电检测技术基础
如：0.35 m 0.8 m
紫外区 近红外区
光电检测技术基础
二、光辐射的度量（辐射度参数与光度参数） 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应， 分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进 行光谱、光度的度量计算，常需要对光辐射给出相应的 计量参数和量纲。光辐射的度量方法有两种： 物理（或客观）的计量方法，称为辐射度学计量方 法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射 量进行物理的计量； 生理（或主观）的计量方法，以人眼所能见到的光 对大脑的刺激程度来对光进行计量的方法，称为光度参 数。只适用于可见光谱区域，是对光强度的主观评价。
光学测试技术光电技术
调制是将信号频谱向高频方向变换，解调则是将信号频 谱复原。
第23页，本讲稿共27页
调幅信号的解调
t 0 1 msin t m sin t
Vi 1 m sin t sin t
解调是信号变换的非线性过程，利用非线性元件实现；
二极管检波：具有直线律检波特性； 信号中直流成份通过隔直处理。
测量物体运动的速度等。
第10页，本讲稿共27页
光信号的相位测量
相位法光波测距：调制 的光信号的相位信息可 以用来测量距离信息， 这种测量方法被广泛应 用于照相机中。
1.5
1
Detector1
Detector2
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
-0.5
-1
-1.5
第11页，本讲稿共27页
光信号的时间测量
脉冲激光测距仪和激光雷达：发射一个激光脉冲， 接收反射回来的激光脉冲，通过测量二个脉冲之间 的时间差得到距离信息。
：最大频率偏差称作偏频 2
设调制函数V t cos t
t 0 m sin 0t mf sin t mf ：调制系数
0
m
sin 0t cos cos0t sin
m f m f
sin t sin t
可选择带通滤波器提高信噪比。带宽：ω-Ω~ω+Ω
V0 V0i
Vi 0 Vi 0
V0
2
1
m sin
t
n1
1 4n2
1
cos
2nt
m 2
sin
2n
t
m 2
sin
2n
t
应用低通滤波器滤去高频成份后得到：
第23页，本讲稿共27页
调幅信号的解调
t 0 1 msin t m sin t
Vi 1 m sin t sin t
解调是信号变换的非线性过程，利用非线性元件实现；
二极管检波：具有直线律检波特性； 信号中直流成份通过隔直处理。
测量物体运动的速度等。
第10页，本讲稿共27页
光信号的相位测量
相位法光波测距：调制 的光信号的相位信息可 以用来测量距离信息， 这种测量方法被广泛应 用于照相机中。
1.5
1
Detector1
Detector2
0.5
0
0
1
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6
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-1
-1.5
第11页，本讲稿共27页
光信号的时间测量
脉冲激光测距仪和激光雷达：发射一个激光脉冲， 接收反射回来的激光脉冲，通过测量二个脉冲之间 的时间差得到距离信息。
：最大频率偏差称作偏频 2
设调制函数V t cos t
t 0 m sin 0t mf sin t mf ：调制系数
0
m
sin 0t cos cos0t sin
m f m f
sin t sin t
可选择带通滤波器提高信噪比。带宽：ω-Ω~ω+Ω
V0 V0i
Vi 0 Vi 0
V0
2
1
m sin
t
n1
1 4n2
1
cos
2nt
m 2
sin
2n
t
m 2
sin
2n
t
应用低通滤波器滤去高频成份后得到：
光学测量与光学工艺知识点答案
目录第一章基本光学测试技术 (2)第二章光学准直与自准直 (5)第三章光学测角技术 (9)第四章：光学干涉测试技术 (12)第六章：光学系统成像性能评测 (15)第一章 基本光学测试技术• 对准、调焦的定义、目的；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。
例：打靶、长度度量人眼的对准与未对准：对准的目的：1.瞄准目标（打靶）；2.精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量）。
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。
人眼调焦：调焦的目的 ：1.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；2.使物体（目标）成像清晰；3.确定物面或其共轭像面的位置——定焦。
121'2'1'P 2'2''•人眼调焦的方法及其误差构成；常见的调焦方法有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。
调焦误差是由于存在几何焦深和物理焦深所造成的。
消视差法是以眼镜在垂直平面上左右摆动也看不出目标和标志有相对横移为准的。
误差来源于人眼的对准误差。
（消视差法特点：可将纵向调焦转变为横向对准；可通过选择误差小的对准方式来提高调焦精确度；不受焦深影响）•对准误差、调焦误差的表示方法；对准误差的表示法：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；调焦误差的表示法：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；•常用的对准方式；常见的对准方式有压线对准，游标对准，夹线对准，叉线对准，狭缝叉线对准或狭缝夹线对准。
•光学系统在对准、调焦中的作用；提高对准、调焦精度，减小对准、调焦误差。
•提高对准精度、调焦精度的途径；使用光学系统进行对准，调焦；光电自动对准、光电自动调焦；•光具座的主要构造；平行光管（准直仪）；带回转工作台的自准直望远镜（前置镜）；透镜夹持器；带目镜测微器的测量显微镜；底座•平行光管的用途、简图；作用是提供无限远的目标或给出一束平行光。
光学测试技术-第1章-基本光学测量技术1
17
§1.1 光学测量中的对准与调焦技术
②消视差法 人眼通过望远镜调焦时，眼睛在出瞳面上摆动的最大距离受出瞳直径 的限制。同时，在视网膜上像的位置由进入眼瞳的成像光束的中心线 与视网膜的交点决定。因此眼瞳的有效移动距离为b，实际移动距离
为t，且： b t
b b
t
武汉大学 电子信息学院
18
§1.1 光学测量中的对准与调焦技术
＝2y 2 250
D
D
＝500 ＝500 60 0.25 278 D 270 0.1
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§1.1 光学测量中的对准与调焦技术
（3）对准误差与分辨率的关系 望远镜的对准误差为 ，显微镜的对准误差
为 y 250 (mm) 。似乎可以得到随Γ的增加，对准误差可以一直减
2223sin62nanunx?????11光学测量中的对准与调焦技术22武汉大学电子信息学院总的调焦标准不确定度和扩展不确定度分别为2223231??????????????????nannafnueqex??22232316???????????????????nannafnueqex??222322?????????????????nannafneqe??11光学测量中的对准与调焦技术23武汉大学电子信息学院消视差法其推导过程与清晰度法一致
二、对准误差和调焦误差
• 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； • 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； • 眼睛通过光学仪器去对准或调焦的目的是利用仪器的有效 放大率和有利的比较标志以降低对准误差和调焦误差。所以 对准误差和调焦误差应该以观察仪器的物方对应值表示。
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光电测试技术-第1章基本光学量的测试技术1
2
2024/7/13
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第1章 基本光学量的测试技术
§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
Γ 2b
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。
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δx的两倍2δx。
由几何焦深造成的人眼调焦标准不确定度为
1'
1 l2
1 l1
ae De
单式位中为，ra1 'd。以m-1为单位，这时l1、l2和De的单位为m，αe的
λ/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
De2 De2
k 8l2 8l1
2 '
1 l2
1 l1
8
KDe2
式中，l2＝l1±dl；De为眼瞳直径（De与波长λ的单位皆
光电对准分类： 光度式：普通光度式、差动光度式 相位式
2024/7/13
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第1章 基本光学量的测试技术
§1-1 光电系统的对准和调焦技术
2. 光电对准
光敏电阻
鉴别器
放大器
指零仪表
测微器
光电测试技术绪论
10
绪论
§0.2 关于测量的基本知识
2．基本量和单位
测量就是要进行比较，从而给出被测量的“量”的概念。 为此，比较时必须满足
被测量与选作单位的量(比较标准)具有相同的量纲。
预先约定选作单位 的量的大小。
量的名称 单位名称 单位符号
长度
米
m
ISO1000-1981规定的 七个基本量:
1）计算数据列的算术平均值、残余误差vi和单次测量的标准偏 差估计值s :
算术平均值
x
1 n
n i 1
xi
残余误差 vi xi x
标准偏差估计值s
n
vi2
s i1 n 1
18
绪论
§0.3 测量数据的处理
2）判断粗大误差。若存在粗大误差，应将该数据剔除，然后 重新计算 x ，vi和s，再判断，直至不含粗大误差为止。
3）求算术平均值的标准偏差的估计值。按下式计算
s s xn
4）判断系统误差。根据发现系统误差的各种方法判断，并设 法减小和消除之。这一步主要是为了检查有无因测量工作中 的某些疏忽而引入的显著系统误差。
21
绪论
§0.3 测量数据的处理
5）求测量的扩展不确定度。根据测量的次数n和置信概率p，
由下表查出tp(n)，按下式计算 U x t p (n)sx
绪论
§0.3 测量数据的处理
3) 求测量的扩展不确定度。根据测量的次数n和置信概率p，由
表查出tp(n)，则
U l
t
p
(n)s l
l 4）最后写出测量结果： U l
其中，扩展不确定度U应取最多两位有效数字。
24
绪论
§0.2 关于测量的基本知识
2．基本量和单位
测量就是要进行比较，从而给出被测量的“量”的概念。 为此，比较时必须满足
被测量与选作单位的量(比较标准)具有相同的量纲。
预先约定选作单位 的量的大小。
量的名称 单位名称 单位符号
长度
米
m
ISO1000-1981规定的 七个基本量:
1）计算数据列的算术平均值、残余误差vi和单次测量的标准偏 差估计值s :
算术平均值
x
1 n
n i 1
xi
残余误差 vi xi x
标准偏差估计值s
n
vi2
s i1 n 1
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绪论
§0.3 测量数据的处理
2）判断粗大误差。若存在粗大误差，应将该数据剔除，然后 重新计算 x ，vi和s，再判断，直至不含粗大误差为止。
3）求算术平均值的标准偏差的估计值。按下式计算
s s xn
4）判断系统误差。根据发现系统误差的各种方法判断，并设 法减小和消除之。这一步主要是为了检查有无因测量工作中 的某些疏忽而引入的显著系统误差。
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绪论
§0.3 测量数据的处理
5）求测量的扩展不确定度。根据测量的次数n和置信概率p，
由下表查出tp(n)，按下式计算 U x t p (n)sx
绪论
§0.3 测量数据的处理
3) 求测量的扩展不确定度。根据测量的次数n和置信概率p，由
表查出tp(n)，则
U l
t
p
(n)s l
l 4）最后写出测量结果： U l
其中，扩展不确定度U应取最多两位有效数字。
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《光电测试技术》课件
工业生产中的应用
介绍光电测试在工业生产中的具体应用案例，如质量检测、自动化控制和无人机导航。
结语
1 发展趋势
2 展望与建议
展望光电测试技术的未来发展，如新材料 应用、智能化测试和高精度测量。
提出展望光电测试技术的建议，如加强教 育培训、促进技术创新和加强国际合作。
基本原理
解释光电测试的基本原理，从光电传感器到仪器的测量过程。
光电传感器
种类及特点
介绍不同类型的光电传感器及 其特点，如光敏电阻、光电二 极管和光电三极管。
测量原理
解释光电传感器的测量原理， 从光的吸收到电信号的转换过 程。
应用场景
展示光电传感器在各种实际场 景中的应用，如自动化生产、 安防监控和机器人导航。
光电仪器
种类及特点
概述不同类型的光电仪器，如光功率计、光谱分析仪和光学显微镜，并介绍它们的特点。
选择与应用
提供选择光电仪器的指导，并探讨它们在各个行业中的具体应用。
校准与维护
介绍光电仪器的校准和维护方法，以确保测试结果的准确性和可靠性。
光电测试方案
1
流程及步骤
详细说明光电测试的流程和步骤，包
指标及判定标准
2
括准备、测试和数据分析。
列举常见的光电测试指标，并解释它
们的判定标准和合格要求。
3
结果的分析与处理
讨论对光电测试结果进行分析和处理 的方法和技巧。
典型案例
电子产品中的应用
展示光电测试在电子产品中的具体应用案例，如手机、平板电脑和光纤通信设备。
医疗器械中的应用
探索光电测试在医疗器械中的应用案例，如医用光学成像、生物传感器和健康监测设备。
《光电测试技术》PPT课 件
介绍光电测试在工业生产中的具体应用案例，如质量检测、自动化控制和无人机导航。
结语
1 发展趋势
2 展望与建议
展望光电测试技术的未来发展，如新材料 应用、智能化测试和高精度测量。
提出展望光电测试技术的建议，如加强教 育培训、促进技术创新和加强国际合作。
基本原理
解释光电测试的基本原理，从光电传感器到仪器的测量过程。
光电传感器
种类及特点
介绍不同类型的光电传感器及 其特点，如光敏电阻、光电二 极管和光电三极管。
测量原理
解释光电传感器的测量原理， 从光的吸收到电信号的转换过 程。
应用场景
展示光电传感器在各种实际场 景中的应用，如自动化生产、 安防监控和机器人导航。
光电仪器
种类及特点
概述不同类型的光电仪器，如光功率计、光谱分析仪和光学显微镜，并介绍它们的特点。
选择与应用
提供选择光电仪器的指导，并探讨它们在各个行业中的具体应用。
校准与维护
介绍光电仪器的校准和维护方法，以确保测试结果的准确性和可靠性。
光电测试方案
1
流程及步骤
详细说明光电测试的流程和步骤，包
指标及判定标准
2
括准备、测试和数据分析。
列举常见的光电测试指标，并解释它
们的判定标准和合格要求。
3
结果的分析与处理
讨论对光电测试结果进行分析和处理 的方法和技巧。
典型案例
电子产品中的应用
展示光电测试在电子产品中的具体应用案例，如手机、平板电脑和光纤通信设备。
医疗器械中的应用
探索光电测试在医疗器械中的应用案例，如医用光学成像、生物传感器和健康监测设备。
《光电测试技术》PPT课 件
《光电检测技术》全【2024版】
能源与动力工程学院
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
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Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
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3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
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3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
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3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
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Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
第1章 基本光学量的测试技术
2020/4/1
8
3.附加透镜法
本方法主要用来测量负透镜的焦距：
f N
y2 y'1
f p
平行光管
正透镜 负透镜
前置镜
fN′ fP′
附加透镜法原理图
▪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。
2020/4/1
9
4. 精密测角法
▪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。
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。
2020/4/1
4
➢5．测量焦距时所用的玻罗板往往刻有成对的刻线，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。
f y0
tan
▪精密测角法测量焦 距的相对不确定度 可达0.1％。
刻线尺 度盘 A2y0来自B f′被测物镜
观察望远镜 2ω
2020/4/1
精密测角法测量原理图
10
关键技术：自准直定焦
刻线尺 度盘 被测物镜 A 2y0 2ω
观察望远镜 2ω
自准直高斯目镜
B f′
平面反射镜
精密测角法测量装置图
2020/4/1
▪如果光学系统的光瞳是圆孔，则所形成的星点像是夫朗和 斐型圆孔衍射的结果，在像平面上点光源像的强度分布可以 用下式表示：
I
I
0
2
J1 (
2
)
a
θ
U′
光学测量与光学工艺知识点答案
如上图所示光路，望远镜中会观察到平行光管分划板的像和望远镜分划板的像重合，转动载物台再次观察到重合现象，转过的角度和角A互补。
•V棱镜法折射率测量原理及精度水平；
测量原理光路图如下图所示：
测量不确定度可达到
•V棱镜折光仪的主要构造；
平行光管、V棱镜、对准望远镜、度盘、读数显微镜
•折射液的作用；
排除V棱镜和待测透镜之间的空气，从而提高测量精度。
自准直：利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上并重合的方法
•准直的目的、用途；
获得平行光束
•实现准直的方法；
激光束：很好的方向性、很高的亮度，是直线性测量的理想光束
进一步提高激光束准直性（平行性），可采用激光束的准直技术
利用倒装望远镜法，实现激光束的准直
•自准直仪的类别；
自准直仪一般指自准直望远镜和自准直显微镜。
第三章
•精密测角仪的主要部件关键部件及其作用；
自准直前置镜（瞄准、定位）
平行光管（产生无限远的瞄准标记：狭缝、分划线等）
精密轴系（围绕旋转中心平稳旋转，圆锥轴系、圆柱轴系、空气静压轴系）
圆分度器件（角度基准）
显微读数系统（将被测角与度盘进行比较，得到角度值）
•常见的圆分度器件；
最常用的是度盘，其他的还有多面体、圆光栅、光学轴角编码器、感应同步器等。
•放大率法的原理简图及测量装置；
原理简图：
测量装置：光具座（光源、波罗板、平行光管、测量显微镜）
•放大率法焦距测量计算；
•放大率法焦距测量中的注意事项；
负透镜（测量显微镜工作距离）
光源光谱组成（色差）
被测镜头像质
近轴焦距与全口径焦距（球差）、测量显微镜NA
第二章
•准直、自准直的概念；
•V棱镜法折射率测量原理及精度水平；
测量原理光路图如下图所示：
测量不确定度可达到
•V棱镜折光仪的主要构造；
平行光管、V棱镜、对准望远镜、度盘、读数显微镜
•折射液的作用；
排除V棱镜和待测透镜之间的空气，从而提高测量精度。
自准直：利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上并重合的方法
•准直的目的、用途；
获得平行光束
•实现准直的方法；
激光束：很好的方向性、很高的亮度，是直线性测量的理想光束
进一步提高激光束准直性（平行性），可采用激光束的准直技术
利用倒装望远镜法，实现激光束的准直
•自准直仪的类别；
自准直仪一般指自准直望远镜和自准直显微镜。
第三章
•精密测角仪的主要部件关键部件及其作用；
自准直前置镜（瞄准、定位）
平行光管（产生无限远的瞄准标记：狭缝、分划线等）
精密轴系（围绕旋转中心平稳旋转，圆锥轴系、圆柱轴系、空气静压轴系）
圆分度器件（角度基准）
显微读数系统（将被测角与度盘进行比较，得到角度值）
•常见的圆分度器件；
最常用的是度盘，其他的还有多面体、圆光栅、光学轴角编码器、感应同步器等。
•放大率法的原理简图及测量装置；
原理简图：
测量装置：光具座（光源、波罗板、平行光管、测量显微镜）
•放大率法焦距测量计算；
•放大率法焦距测量中的注意事项；
负透镜（测量显微镜工作距离）
光源光谱组成（色差）
被测镜头像质
近轴焦距与全口径焦距（球差）、测量显微镜NA
第二章
•准直、自准直的概念；
光学测试技术-第1章-基本光学测量技术1
② 消视差法 其推导过程与清晰度法一致。对消视差法在像方的调焦不确定度
换算至物方，换算公式为：
x
'
nf
'2 eq
可得到调焦误差为：
x
2n e
D'1
f '2 eq
n e
f
' eq
NA
D' D'1
其单次调焦标准不确定度为 x / 3
列表比较经过不同光学系统后的对准误差与调焦误差
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§1.1 光学测量中的对准与调焦技术
三、人眼的对准误差和调焦误差 1、人眼的对准误差
在正常照度下，人眼的对准误差主要取决于对准方式。 表1-1（p2）给出了5种不同对准方式下人眼的对准误差。 可见，随对准方式的不同，人眼对准误差在10″-120″之间。
2、人眼的调焦误差 要知道人眼的调焦误差，必须首先知道人眼是如何调
17
§1.1 光学测量中的对准与调焦技术
②消视差法 人眼通过望远镜调焦时，眼睛在出瞳面上摆动的最大距离受出瞳直径 的限制。同时，在视网膜上像的位置由进入眼瞳的成像光束的中心线 与视网膜的交点决定。因此眼瞳的有效移动距离为b，实际移动距离
为t，且： b t
b b
t
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§1.1 光学测量中的对准与调焦技术
焦的。人眼常用的调焦方式有两种：清晰度法、消视差法。
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6
x
§1.1 光学测量中的对准与调焦技术
清晰度法 以目标和比较标志同样清晰为准，这时的调焦误差由几何焦 深和物理焦深造成。 ①几何焦深 标志严格成像在视网膜上，则在视网膜上的像是一个几何点。 调焦时目标不一定与标志在同一平面上。但只要目标在视网 膜上生成的弥散圆直径小于人眼的极限分辨率，人眼仍然认 为所成的像是一个点，即认为目标和标志同样清晰，或目标 与标志在同一平面上。 当弥散圆直径等于人眼的极限分辨率时，目标与标志之间的 距离δx即为调焦极限误差。称2δx为几何焦深。可见几何焦深 的大小主要取决于人眼的极限分辨率αe。
光学测试技术复习资料(DOC)
光学检测原理复习提纲第一章 基本光学测量技术一、光学测量中的对准与调焦技术1、对准和调焦的概念(哪个是横向对准与纵向对准？) P1对准又称横向对准，指一个目标与比较标志在垂轴方向的重合。
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。
2、常见的五种对准方式。
P2 压线对准，游标对准。
3、常见的调焦方法最简便的调焦方法是：清晰度法和消视差法。
p2 二、光学测试装置的基本部件及其组合1、平行光管的组成、作用；平行光管的分划板的形式（abcd ）。
P14 作用：提供无限远的目标或给出一束平行光。
组成:由一个望远物镜（或照相物镜）和一个安置在物镜 焦平面上的分划板。
二者由镜筒连在一起，焦距 1000mm 以上的平行光管一般都带有伸缩筒，伸缩筒 的滑动量即分划板离开焦面的距离，该距离可由伸 缩筒上的刻度给出，移动伸缩筒即能给出不同远近 距离的分划像（目标）。
2、什么是自准直目镜（P15）（可否单独使用？），自准直法？一种带有分划板及分划板照明装置的目镜。
Zz 自准直：利用光学成像原理使物和像都在同一平面上。
3、；高斯式自准直目镜（P16）、阿贝式自准直目镜（P16）、双分划板式自准直目镜（P17）三种自准直目镜的工作原理、特点。
P15—p17（概念，填空或判断）1高斯式自准直目镜缺点--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，且分束板的光能损失大，还会产生较强的杂光。
2阿贝式自准直目镜---特点射向平面镜的光线不能沿其法线入射，否则看不到亮“+”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，容易做成高倍率的自准直仪。
主要缺点：直接瞄准目标时的视轴（“+”字刻度线中心与物镜后节点连线）与自准直时平面（a ）"+"字或"+"字刻线分划板； （b ）分辨率板； （c ）星点板； （d ）玻罗板镜的法线不重合；且视场被部分遮挡。
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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 放大率和有利的比较标志以提高对准和调焦的准确度。
可得
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D' x NA D'1
nf 'eq
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第1章
基本光学量的测试技术
§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δ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。
式中，Γ＝ 250 β / fe’， fe’为目镜焦距；250mm为人眼的 明视距离；δ为人眼的对准标准不确定度（rad）。
250 y Γ
2014-5-21
15
第1章
基本光学量的测试技术
§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
Γ
关于对准标准不确定度的讨论
250 y Γ
光度式：普通光度式、差动光度式 相位式
2014-5-21
20
第1章
基本光学量的测试技术
§1-1 光电系统的对准和调焦技术
2. 光电对准
光敏电阻 鉴别器 放大器 指零仪表
振动狭缝 测微器 分束棱镜I
目镜
分划板 分束棱镜II 十字线分划板 物镜 平面镜
l f ' tan2
毛玻璃
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1．1 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δ，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
Γ 2b
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。
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第1章
基本光学量的测试技术
§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 瞳边缘处：
min
1 1 ~ a 6 10
a
1.02 D
0.51 NA
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1 1 ymin ( ~ ) 6 10
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基本光学量的测试技术
§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
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Γ
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基本光学量的测试技术
§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
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1 1 l2 l1 b
式中，δ的单位为rad，b的单位为m。
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第1章
基本光学量的测试技术
§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δ，望远镜的放大 率为Γ，通过望远镜观察时物方的对准标准不确定度设为γ， 则有
Γ2
由此可得到望远镜物方的调焦标准不确定度 2 ' 8 ae 1 ' 1 2 2 2 Γ 2 KΓ 2 De2 De
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第1章
基本光学量的测试技术
§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 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：
光电自准直望远镜工作原理
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第1章
基本光学量的测试技术
§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。
3
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基本光学量的测试技术
§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。
Δy
γ
R0 = ∞
Δx
F′
R = 1/φ
nae Δ x1 f 'eq 2( NA)
2 2n x2 2 6n sin U 6( NA) 2
2 2
nae f 'eq 2n x 6( NA) 2 2 NAห้องสมุดไป่ตู้
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基本光学量的测试技术
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第1章
基本光学量的测试技术
§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 0.01μm~0.02μm和0.05″~0.1″ 光电对准分类：
a 8 e 2 12 2 D KD 2 e e
2
2 1/ 2
(m-1)
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§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
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观察系统物方的对准和调焦不确定度的表示
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§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。
对准方式 示 意 图 人眼的对准 标准不确定 度δ(″) 60~120 附 注
压线对准 （单线与单线重合） 游标对准 （一直线在另一直线延长 线上） 夹线对准（一条稍粗直线 位于两条平行细线中间） 叉线对准（一条直线位于 叉线中心）
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两条实线重合时，设线宽分别为b1，b2(′)，则δ ＝（b1+b2）/2（′）实线与虚线重合时，设虚线 宽为b1，b2≤b1＜b2+1时，δ＝1′
D＇/2
De
D De b 2 4
若De＝2mm，则有
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b t
b
1 b ( D '1) 2
眼瞳在出瞳面上摆动时的有效移动距离
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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Γ，其中物镜的垂轴放大率为β。通 过显微镜观察时物方的对准标准不确定度设为Δy，则有
§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——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 n
2 x nf 'eq
b
2 f 'eq
再利用
b ( D'1) / 2 D' 2 f 'eq NA
由公式可以看出，对准的标准不确定度与放大率Γ成反比。是否可 以认为，只要单纯增大Γ，对准的标准不确定度必然减小呢？实践 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
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 放大率和有利的比较标志以提高对准和调焦的准确度。
可得
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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δ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。
式中，Γ＝ 250 β / fe’， fe’为目镜焦距；250mm为人眼的 明视距离；δ为人眼的对准标准不确定度（rad）。
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1. 目视系统的对准和调焦
Γ
关于对准标准不确定度的讨论
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光度式：普通光度式、差动光度式 相位式
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2. 光电对准
光敏电阻 鉴别器 放大器 指零仪表
振动狭缝 测微器 分束棱镜I
目镜
分划板 分束棱镜II 十字线分划板 物镜 平面镜
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毛玻璃
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1．1 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δ，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
Γ 2b
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。
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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 瞳边缘处：
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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
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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
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1 1 l2 l1 b
式中，δ的单位为rad，b的单位为m。
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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δ，望远镜的放大 率为Γ，通过望远镜观察时物方的对准标准不确定度设为γ， 则有
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由此可得到望远镜物方的调焦标准不确定度 2 ' 8 ae 1 ' 1 2 2 2 Γ 2 KΓ 2 De2 De
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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 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：
光电自准直望远镜工作原理
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§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。
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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。
Δy
γ
R0 = ∞
Δx
F′
R = 1/φ
nae Δ x1 f 'eq 2( NA)
2 2n x2 2 6n sin U 6( NA) 2
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§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 0.01μm~0.02μm和0.05″~0.1″ 光电对准分类：
a 8 e 2 12 2 D KD 2 e e
2
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基本光学量的测试技术
§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
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观察系统物方的对准和调焦不确定度的表示
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§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。
对准方式 示 意 图 人眼的对准 标准不确定 度δ(″) 60~120 附 注
压线对准 （单线与单线重合） 游标对准 （一直线在另一直线延长 线上） 夹线对准（一条稍粗直线 位于两条平行细线中间） 叉线对准（一条直线位于 叉线中心）
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两条实线重合时，设线宽分别为b1，b2(′)，则δ ＝（b1+b2）/2（′）实线与虚线重合时，设虚线 宽为b1，b2≤b1＜b2+1时，δ＝1′
D＇/2
De
D De b 2 4
若De＝2mm，则有
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b t
b
1 b ( D '1) 2
眼瞳在出瞳面上摆动时的有效移动距离
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§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Γ，其中物镜的垂轴放大率为β。通 过显微镜观察时物方的对准标准不确定度设为Δy，则有
§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——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 n
2 x nf 'eq
b
2 f 'eq
再利用
b ( D'1) / 2 D' 2 f 'eq NA
由公式可以看出，对准的标准不确定度与放大率Γ成反比。是否可 以认为，只要单纯增大Γ，对准的标准不确定度必然减小呢？实践 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