(光学测量技术)第5章光学系统特性参数的测量

第5章 光学系统特性参数的测量
图 5.6 以视差角表示视差的光路
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第5章 光学系统特性参数的测量 2. 以视度差表示 望远系统的视差还可用视度差来表示。视度差是指物像 和分划在系统像方的视度之差，即以分划在系统的像方的视 度 SD k 和物像的视度 SD0 之差表示: 其视度差表示的原理如图 5.7 所示。当 F'0 和 F e 重合时， 分划面到 F'0 的距离为 b ，则目镜后像距为
第5章 光学系统特性参数的测量 二、 望远系统视差的测量方法 1. 平行光管法 平行光管法也叫视差角检测法或摆头法，其检测装置由 平行光管、待测系统支座和底座组成。该仪器适于批量检测， 其检测原理如图 5.8 所示。在平行光管的分划板上刻有视差 公差带。若系统存在视差，人眼沿待测系统的出瞳面摆动时， 可发现平行光管的分划像与待测系统的分划像相对错动，离 人眼远的分划像与人眼同向移动，近的则与人眼反向移动。 只要两个像最大错动量不超过公差带，则认为合格。
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图 5.5 大量程视度筒检测原理图
第5章 光学系统特性参数的测量 用视度表示为 SD=SD ′– P (5－5)
式中: SD′ 表示视度筒的视度读数; SD 表示待测系统的视度 值; P 表示视度透镜的视度。 可见，只要视度透镜的视度与待测系统的视度符号相反， 即可抵消部分待测系统的视度，使余下部分由视度筒测出。
第5章 光学系统特性参数的测量 视度测量误差主要取决于视度筒的调焦误差，即取决于 视度筒的出瞳直径和放大倍率。而视度筒的入瞳等于待测系 统的出瞳，故视度筒的放大倍率不宜过大。普通视度筒常 选用 4× 或 6 × ，其检测范围为 ±1.5~±2. 5 屈光度。
第5章 光学系统特性参数的测量 2. 大量程视度筒检测 当被测系统视度调节范围较大，超出普通视度筒测量范 围时，可用大量程视度筒测量，测量范围达到 ±6 屈光度。 大量程视度筒是在普通视度筒前加一个视度透镜(已知 光焦度)，如图 5.5 所示。若视度透镜与待测系统的眼点 O (或出瞳)重合， B 是待测系统的像点， OB = L ; B 经视度透 镜成像为 B' ，像距为 L' ; B' 再经视度筒物镜的分划面上成 像为 B″ ，设视度透镜的焦距为 f's ，则由高斯公式得
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图 5.8 平行光管测量视差
第5章 光学系统特性参数的测量 平行光管分划面的视差公差带的间隔为 式中: ε 为待测系统允许的视差角，单位为分;f‘c 为平行光管 物镜的焦距。 测量时，先调待测系统，使之与平行光管的光轴重合， 然后人眼沿出瞳面摆动，检测待测系统的分划像相对平行光 管分划像间最大错动量是否超差。
第5章 光学系统特性参数的测量 例如:待测系统的视度分划标记为 -4.5 屈光度，可选 “ +4 ”屈光度的视度透镜，若视度筒的读数为 -0.3 屈光度， 则 SD=-0. 3-4. 0=-4. 3 ( m-1 ) 这几种方法测量视度的误差主要来源仍然是视度筒的调 焦误差。
第5章 光学系统特性参数的测量 5. 1. 2 望远系统视差的测量 一、 望远系统视差的基本概念
第5章 光学系统特性参数的测量 教学目的 1. 掌握望远镜视度、视差及视放大倍率的概念。熟悉利 用普通视度筒检测望远镜的视度、用平行光管法检测望远镜 的视差和用倍率计检测其视放大率的方法。 2. 掌握显微镜视放大率和物镜数值孔径的概念。熟悉利 用直接测量法或间接测量法检测其视放大率和用小孔光阑法 检测其物镜数值孔径的方法。 3. 掌握照相物镜相对孔径和有效光阑指数的概念。熟悉 用焦面点光源法、平行光管法检测其相对孔径和用像面照度 比较法检测其有效光阑指数。
图 5.9 用倍率计测量望远系统视放大率
第5章 光学系统特性参数的测量 2. 用平行光管和前置镜测量 如果测出被测系统的物方视场角 ω 和像方视场角 ω′， 则利用 Γ =tg ω′ /tgω 可求出放大率。 检测光路如图 5.10 所示，若平行光管的分划间隔为 l ， 物镜焦距为 f′c ，则平行光管的 视场角 2 ω 可由tgω = l / f'c 求得。 2 ω 即为被测望远系 统的物方视场角，经被测系统后，放大为 2 ω' ，再用前置 镜测出 ω' 值，则被测系统的视放大率 Γ =tg ω' /tgω 。
第5章 光学系统特性参数的测量 技能要求 1. 能够利用普通视度筒检测望远镜的视度;能够利用平 行光管(带有视差公差带)批量检测望远镜的视差;能够利用倍 率计检测其视放大倍率。 2. 能够利用测量显微物镜的横向放大率及目镜放大率的 方法间接测量显微镜的视放大率;能够用小孔光阑测量显微 镜物镜数值孔径。 3. 能够用焦面点光源法和平行光管法检测照相物镜的相 对孔径;能够用像面照度比较法检测其有效光阑指数。
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图 5.1 望远镜系统出射光束
第5章 光学系统特性参数的测量 望远系统的视度调节通常是通过移动目镜的方法实现的。 目镜的移动量即是其前焦点F e 相对物镜焦点 F′0 的移动距 离 Δ ，其大小及符号决定了视度的大小与正负。 无限远目标经物镜后成像在后焦面处。若目镜的前焦点 F e与物镜焦点 F′0 重合，则出射光束是平行光束;若目镜前 移，如图 5.2 所示( Δ 为正)，则物镜像经目镜成像在距目镜 左方 - L 处，即出射光是发散光束;反之，若目镜后移( Δ 为 负)，则出射光束是会聚光束。
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图 5.2 目镜视度调节
第5章 光学系统特性参数的测量 由牛顿公式有
将 L 换算成视度，得
第5章 光学系统特性参数的测量 对于无分划板的望远系统，也可以用移动物镜的方法来 实现视度调节。物镜移动量 Δ与望远系统视度间的关系同样 由式(5－3 )决定。 视度检验是指目镜视度分划调节到某示值时，检测其视 度装定误差是否在规定的公差范围内。对于固定视度的仪器， 其视度装定在 -0.5~-1 屈光度。
第5章 光学系统特性参数的测量 式中， L 为眼点至仪器出射光束的顶点的距离，单位为m 。 由此可知，若系统出射的是平行光束，则视度为零，适应正 常眼的要求;若出射的是发散光束，如图 5.1 ( a )所示，像点 位于眼点之前，视度为负值，满足近视眼需要;当出射光束 会聚时，如图 5.1 ( b )所示，视度为正，满足远视眼需要。 可见，视值的正负及大小清楚地描述了出射光束的结构特性。
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5. 1 望远系统特性参数的测量
望远系统的光学特性参数具有代表性的主要有视度、视 差及视放大倍率。这里就这三个参数的测量加以讨论。
第5章 光学系统特性参数的测量 5. 1. 1 望远系统视度的测量 一、 望远系统视度的基本概念 目视光学仪器是供人眼观测使用的。为了适应不同视度 的观测者使用需要，对目视光学仪器要求其出射光束能够调 节。光学仪器的这种调节能力称为视度调节。视度(SD )是 指目视光学仪器出射光束的会聚或发散程度。视度可表示为
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第 5 章 光学系统特性参数的 测量
5. 1 5. 2 5. 3 望远系统特性参数的测量 显微系统特性参数的测量 照相物镜特性参数的测量
本章小结 思考题与习题
第5章 光学系统特性参数的测量 光学系统的特性参数一般是指焦距、孔径、视场、放大 率等，对目视光学系统还有视差、视度等参数。当然，不同 的光学系统为适应各自的需要而选用不同的参数来表征它们 的特性。 本章重点介绍望远、显微和照相系统三类常用光学系统 各自特性参数的测量原理及方法。其中有涉及焦距测量的， 因与第 4 章中讲述的光学零件焦距的测量相同，这里不再重 述。
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图 5.7 以视度差表示视差的光路Βιβλιοθήκη Baidu
第5章 光学系统特性参数的测量 因 F′0 和 F e 重合，故物像的视度 SD 0 =0 ，
若 F′0 和 F e不重合，式( 5－9 )依然成立。 视差角与视度差的关系是
所以，与视差的表示法相对应，视差的测量方法有两种， 即视差角检测法和视度差检测法。
无穷远物体经望远镜系统的物镜成像在后焦面上，若系 统装有分划板，则分划面应位于物镜后焦面上，如果由于安 装误差，分划面没有准确地装在后焦平面位置，通过目镜观 察时，物像和分划标记相对人眼不在同一深度的现象，就是 望远镜系统的视差。 视差分为前视差(或短视差)和后视差(或长视差)，分划 面位在物镜焦平面和物镜之间为前视镜;分划面位在物镜焦 平面之后为后视差。用有视差的系统进行测量和瞄准时会产 生对准误差，望远系统视差通常有如下几种表示方法。
z
为转像系统的垂轴放大率;D 为望远系统的入瞳直径; D' 为
望远系统的出瞳直径。
第5章 光学系统特性参数的测量 由式(5－12 )可知，欲测量望远系统的视放大率，可通 过已知的入瞳直径测出瞳直径，或根据已知的物方视场角测 像方视场角，也可通过测量焦距求得。
第5章 光学系统特性参数的测量 二、 望远系统视放大率的测量方法 1. 用倍率计测量 倍率计是一个带有分划板的放大镜，其检测原理如图 5. 9 所示。将已知直径为 a 的标准光阑套在待测望远系统的物 镜框上。在待测系统的像方用倍率计测出该标准光阑的像尺 寸 a' ，由式( 5－12 )得出望远系统视放大率为
第5章 光学系统特性参数的测量 5. 1. 3 望远系统视放大率的测量 一、 望远系统视放大率的基本概念 望远系统视放大率的定义为:同一目标 用望远镜 观察时 物像 对人眼的张角 正切(tgω' ) 与人眼直接观察时张角正切 (tgω ) 之比，即
式中:f'0 为望远系统物镜的焦距; f'e 为望远系统目镜的焦距; β
式中， f '0 为视度筒物镜的焦距。
第5章 光学系统特性参数的测量 根据式(5－4 )可以刻制视度筒上的视度分划线。 测量时，调节视度筒目镜视度直至分划面最清楚。将待 测系统的视度分划对到所要检测的标记处，并将待测系统放 在平行光管和视度筒中间，视度筒物镜大致放在待测系统的 出瞳处，调三者大致共轴，再轴向移动视度物镜，直到平行 光管分划像与视度筒的分划清晰无视差地轴向重合，此时视 度筒的读数与标记之差即为待测系统视度的装定误差。
第5章 光学系统特性参数的测量 测量前要调目镜视度，使人眼可清晰地看到分划线;再 移动内管，使分划面与待测系统的出瞳面重合，测得出瞳 a′ 的大小。 标准光阑直径在入瞳范围内应尽量选择大一些，标准光 阑面要垂直于系统光轴，其中心位于光轴上。此外，对目镜 视度可调的望远镜，检测时视度应归零。
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第5章 光学系统特性参数的测量 若待测系统的视度为 SD=1000 / L ，移动视度筒物镜， 使经待测望远系统成的像再经视度筒物镜成在分划板上，这 样人眼通过视度筒目镜可以同时清楚地看到物像和分划板。 设视度筒物镜相对分划板移动距离为 Δ ，视度物镜至待测 望远系统眼点的距离为 l ，则由牛顿公式可以得出 若 l 可略去不计，上式可写成
第5章 光学系统特性参数的测量 2. 视度筒测量法 视度筒测量法主要检测系统的视度差。由于望远镜系统 的视差可用无穷远物点在系统像方的出射光束和中心分划在 像方的出射光束的视度差表示，因此，利用前述测视度的方 法测量二者的视度，求出其差值，即为视差。 3. 半透镜视差计测量法 用视度筒测量视度、视差时，精度主要取决于视度筒的 调焦误差，为了提高调焦精度，设计了半透镜视差计，它采 用了双光楔定焦法，比视度筒采用的清晰度法定焦精度高， 因此测量精度比视度筒高。
第5章 光学系统特性参数的测量 二、 望远系统视度的测量方法
1. 普通视度筒检测
检测视度的仪器为视度筒，它是一个物镜可沿轴向移动 的低倍望远系统，其结构示意图如图 5.3 所示。
图 5.3 普通视度筒结构示意图
第5章 光学系统特性参数的测量 普通视度筒检测原理如图 5.4 所示。
图 5.4 普通视度筒检测原理图
第5章 光学系统特性参数的测量 1. 视差角表示法 望远系统的视差可用视差角来表示，是由视差而引起的 物方极限瞄准误差角。以视差角表示的原理如图 5.6 所示。 当系统存在视差时，物像 O' 将成在距分划面为 b 的位置处， 相应的物像 O' 相对分划的上下错动量为 AB ，由此引起的 物方视差角 ε 为