第一章1节
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l2 l1 De
1屈光度=1/m m rad
§1-1
1、清晰度法
（2）物理焦深：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不是 一个而是一个弥散斑（艾里斑），当物点沿轴向移 动 dl后，在眼瞳面上产生的波差小于某一个值（例 如 / K ， K 为大于1 的整数）时，人眼仍然分辨 不出这时衍射像与艾里斑有什么区别，即如果目标 与标志相距小于 l 时眼睛仍认为二者的像同样清 楚。距离 2 l 称为物理焦深。
§1-1 一、 人眼对准误差和调焦误差
（二）人眼的调焦误差 要使目标位于标志所在的垂直瞄准轴的平面上， 即二者位于同一深度上，常见的最简便的人眼调焦 方式是清晰度法和消视差法： 1、清晰度法---是以目标与比较标志同样清晰为准。 用清晰度法定焦后，目标与标志的轴向距离即为 此方法的调焦误差。 调焦误差是由于存在几何焦深和物理焦深所造成；
绪论
分辨率是指测量系统能检测到的最小输入增量。 误差是指测得值与被测量的真值之间的差值。误差 可分为系统误差、随机误差与粗大误差。 精度反映测量结果与真值接近程度的量。在现代计 量测试中，精度的概念逐步被测量的不确定度代替。 测量不确定度是表征合理赋予被测量的量值的分散 型参数。主要包括不确定度的A类评定-----用对重复 的统计分析进行不确定度的评定方法；B类评定----用不同于统计分的其它方法进行不确定度评定方法。
一、 人眼对准误差和调焦误差计算公式
几何焦深造成
1
1 l2
1 l2
2
1 2
1 l1
1 l1
e
De 8
KD
2 e
(1 1)
(1 2)
人 眼 的 调 焦 误 差
清晰度法 物理焦深造成： 2
2 2 1 2 e De
绪论
近代光学测量系统的主要特点： 1、从主观光学发展称为客观光学，即用光电探测 器取代人眼这个主观探测器，提高了测量精度和效 率。 2、用激光光源取代常规光源，获得方向性极好的 实际光线用于各种光学测量上。 3.从光机结合模式向光机电一体化的模式转换，实 现测量与控制的一体化。
绪论
三、技术发展方向 1、亚微米级、纳米级的高精度光学测量方法首先 得到优先发展，利用新的物理学原理和光电子原理 产生的光学测量方法将不断出现。 2、一微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低 成本的集成光学和其它微传感器将成为技术主流方 向，小型、微型非接触式光学传感器以及微光学这 类微结构光学测量系统将暂露头角。 3、快速、高效的3D测量技术将取得突破，发展带 存储功能的全场动态测量仪器。
2 2 1 2
(1 4)
§1-1
2、消视差法
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向横移为准。由于无相对横 向位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。 采用本方法时，先使目标与标志横向对准，再摆 动眼睛，如果看到二者始终对准，则认为调焦完成。 消视差后目标与标志的轴向距离即为此方法的调 焦误差。 由于本方法把纵向调焦变成横向对准，从而可以 通过选择误差小的对准方式来提高调焦准确度。
§1-1
1、清晰度法
（1）几何焦深：假定标志真正成像在眼睛的视网膜 上，这时标志上的一点在网膜（像面上）的像是一个 几何点；调焦时目标不一定与标志位于同一平面上， 但是只要目标上一点在网膜上所成的弥散圆直径小于 眼睛的分辨极限，人眼仍然把这个弥散圆当成一个 点，即认为目标与标志同样清晰。当弥散圆直径等于 人眼分辨极限时，目标至标志距离 x （即为调焦极限 误差）的两倍 2 x称为几何焦深（因为目标在标志前 后等距是的效果相同).
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
一、人眼的对准误差和调焦误差 眼睛的对准误差以偏离量对眼睛中心的夹角表示。 眼睛的调焦误差以目标与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仪 器的有效放大率和有利的比较标志（如叉线或双线） 以提高对准和调焦的准确度。 人眼通过仪器观察目标时的对准和调焦误差应以 观察仪器的物方对应值表示,如图所示：
§1-1
1、清晰度法
由清晰度法产生的人眼调焦扩展不确定度为几何焦深 和物理焦深造成的调焦扩展不确定度的方和根，即
2 2 1 2 e De 8 ( m 1 ) KD 2 e
绪论
测试是指具有试验研究性质的测量，一般是测量、 试验和检验的总称。测试是人们认识客观事物的方 法。测试过程是从多个事物中摄取有关信息的认识 过程。在测试过程中，需要借助专门的设备，通过 合适的实验和必要的数据处理，求得所研究对象的 有关信息量值。 灵敏度是指测量系统输出变化量Δ y与引起该该变 化量的输入变化量Δ x之比。测量系统输出曲线的 斜率就是其灵敏度，对于线性系统，灵敏度是一个 常数。
百度文库所以： y
250
( mm )
(1 8)
x Δ β f f o
⊿y
f o
l
f o
l
Δ
f e
δ
f e
§1 （一）对准
2、显微镜的对准误差
例1：V棱镜折光仪的显微镜放大率 58 ，显微镜 的数值孔径 NA 0.15 ，对准方式是夹线对准，
第一章 基本光学测量技术
第一节 光学测量中的对准与 调焦技术
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
基本概念： （一）对准（横向对准）------一个目标与比较标 志在垂直瞄准轴方向的重合和臵中。 注意： 1、目标、标志是广义的，在物空间比较时，是真正 的目标；在像方比较时，则是目标的像。 2、眼睛的瞄准轴是黄斑中心与眼睛后节点的连线； 光学仪器的瞄准轴是指光学仪器的某个对准用标志 与物镜后节点的连线。
绪论
一、光学测量与测试技术的作用： 利用光学原理进行精密测量，一直是计量测试技术 领域中的主要方法。由于光学测量方法具有非接触、 高灵敏度和高精度等优点，在近代科学研究、工业 生产、空间技术、国防技术等领域中得到广泛应 用，成为一种无法取代的测量技术。随着微光学和 集成光学的发展，光学测量系统向微型化、集成化 方向发展，促使光学测量技术成为近代科学技术与 工业生产的眼睛，是保证科学技术、工业生产发展 的主要高新技术之一。
§1-1
2、消视差法
设眼睛的摆动距离为 b ，所选对准方式的对准误差 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扩展不确定度 （调焦极限误差）根据（1-1）式可得：
1 l2 1 l1
b
(1 5)
单次测量的标准不确定度（单次测量标准偏差）为： 1 EP (1 6) 3 b
2 2 1 2
(1 3)
由于上式中两项误差皆属于随机误差，并且它们都服 从均匀分布规律，故单次测量的标准不确定度（单次 测量标准偏差）为：
ED
1 e 3 De 8 ( m 1 ) KD 2 e
绪论
4、发展闭环式光学测试技术，实现光学测量与控 制的一体化。 5、发展光学诊断和光学无损检测技术，一替代常 规的无损检测方法与手段。
绪论
四、光学测量与测试技术的基本概念
计量学是指研究、保证测量统一和准确的科学； 计量泛指对物理量的标定、传递与控制。 计量学研究的主要内容：计量单位及其基准、标准 的建立、保存与使用，测量方法和计量器具，测量 不确定度，观察者进行测量的能力以及计量法制与 管理等。计量学也包括研究物理常数和物质标准， 材料特性的准确测定。
2
8 ( m 1 ) KD 2 e
表1-1所示
(1 3)
消视差法
1 l2
1 l1
b
(1 5)
§1
二、 望远镜和显微镜的对准误差和调焦误差
人眼通过望远镜和显微镜去对准和调焦是为了提高 对准与调焦精度。 （一）对准误差 1、望远镜的对准误差 设人眼直接对准的对准误差为 ，望远镜的放大率 为 ，通过望远镜观察时物方的对准误差为 , 则 f e f o
γ
f o
f e
δ
§1（一）对准误差
γ
1、望远镜的对准误差
δ
f o
f e
f e f o
(1 7 )
例：V棱镜折光仪的望远镜放大率 6 ，入瞳直径 D 12 mm ，对准方式是夹线对准，极限对准误差 10 ，则望远镜的极限对准误差为：
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
（二）调焦（纵向对准） ---一个目标像与比较标志 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臵。 确定物体的共轭像面的位臵又称为定焦。 （三）对准误差---目标与标志在垂轴方向残留的偏 离量。 （四）调焦误差---定焦后目标像与标志沿轴向残留 的偏离量。
§1-1
1、清晰度法
由于物理焦深造成的人眼调焦扩展不确定度（调焦 极限误差） 2 可由下式求得：
K De2 8l 2 1 l2 1 l1 De2 8l1 8 KD
2 e
2
(1 2 )
K 的取值，按瑞利准则，波差应小于 / 4 ，即取 K 4
还有一些学者认为应取波差为 / 6 和 / 8 ，一般取 / 6 即 K 6 较为合适，其中 l2 l1 l 。
绪论
二、技术现状 利用自然界存在的光线进行计量与测试最早开始于 天文与地理测量中。望远镜和显微镜的出现，光学 与精密机械的结合，是许多传统的光学计量与测试 仪器广泛应用于各级计量即工业测量部门。激光器 的出现和信息光学的形成，特别是激光技术与微电 子技术。计算机技术的结合，出现了光机电一体化 的光学测量技术。在光机电金字塔中，塔顶是光， 光学是这个基础体系中的原理基础。
10 6 1.7
§1（一）对准误差
2、显微镜的对准误差
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扩展不确定度 Δy f e 设为 y ，则有：y Δy β Δy , δ
f e
250 因为 Γ β β Γe f e
§1-1
1、清晰度法
目标至标志距离
由此可见，几何焦深与人眼的极限分辨角 e 直接相关 。通常取 αe 1，当人眼观察远距离处的物体时，x 会 很大，这时调焦扩展不确定度（调焦误差）不用 x 表示，而应以目标和标志到眼瞳距离的倒数之差值表 示。设目标距离为l1 ，标志距离为 l2 ，则 l1 l 2 为 几何焦深的一半，眼瞳直径为 De ，人眼极限分辨角 为 e ，由于几何焦深造成的人眼调焦扩展不确定度 （极限误差）为： 1 1 e 1 (1 1)
绪论
测量是指将被测值和一个作为测量单位的标准量进 行比较，求其比值的过程。 从计量学的定义和内容可以看出，计量的主要表现 方式是测量。测量的目的是要得到一个具体的测量 数值，这个数值还应包括测量的不确定度。一个完 整的测量过程包括四个测量要素：测量对象和被测 量，测量单位和标准量，测量方法，测量的不确定 度。 检验是指判断测量是否合格的过程，通常不一定要 求具体数值。
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
有限距离物体的对准：
⊿y
无限远物体的对准：
γ
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
对有限距离物体的调焦：
⊿x
对无限远物体的调焦：
R0
F
R
1
§1-1 一、 人眼对准误差和调焦误差
在实际的应用中，人眼是通过观察仪器（望远镜 和显微镜）来对准和调焦的，人眼在仪器的像方， 仪器的对准误差和调焦误差相当于人眼直接观察目 标时的误差。 （一）人眼的对准误差 常见的对准方式和人眼的对准误差见表1-1；（略）
1屈光度=1/m m rad
§1-1
1、清晰度法
（2）物理焦深：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不是 一个而是一个弥散斑（艾里斑），当物点沿轴向移 动 dl后，在眼瞳面上产生的波差小于某一个值（例 如 / K ， K 为大于1 的整数）时，人眼仍然分辨 不出这时衍射像与艾里斑有什么区别，即如果目标 与标志相距小于 l 时眼睛仍认为二者的像同样清 楚。距离 2 l 称为物理焦深。
§1-1 一、 人眼对准误差和调焦误差
（二）人眼的调焦误差 要使目标位于标志所在的垂直瞄准轴的平面上， 即二者位于同一深度上，常见的最简便的人眼调焦 方式是清晰度法和消视差法： 1、清晰度法---是以目标与比较标志同样清晰为准。 用清晰度法定焦后，目标与标志的轴向距离即为 此方法的调焦误差。 调焦误差是由于存在几何焦深和物理焦深所造成；
绪论
分辨率是指测量系统能检测到的最小输入增量。 误差是指测得值与被测量的真值之间的差值。误差 可分为系统误差、随机误差与粗大误差。 精度反映测量结果与真值接近程度的量。在现代计 量测试中，精度的概念逐步被测量的不确定度代替。 测量不确定度是表征合理赋予被测量的量值的分散 型参数。主要包括不确定度的A类评定-----用对重复 的统计分析进行不确定度的评定方法；B类评定----用不同于统计分的其它方法进行不确定度评定方法。
一、 人眼对准误差和调焦误差计算公式
几何焦深造成
1
1 l2
1 l2
2
1 2
1 l1
1 l1
e
De 8
KD
2 e
(1 1)
(1 2)
人 眼 的 调 焦 误 差
清晰度法 物理焦深造成： 2
2 2 1 2 e De
绪论
近代光学测量系统的主要特点： 1、从主观光学发展称为客观光学，即用光电探测 器取代人眼这个主观探测器，提高了测量精度和效 率。 2、用激光光源取代常规光源，获得方向性极好的 实际光线用于各种光学测量上。 3.从光机结合模式向光机电一体化的模式转换，实 现测量与控制的一体化。
绪论
三、技术发展方向 1、亚微米级、纳米级的高精度光学测量方法首先 得到优先发展，利用新的物理学原理和光电子原理 产生的光学测量方法将不断出现。 2、一微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低 成本的集成光学和其它微传感器将成为技术主流方 向，小型、微型非接触式光学传感器以及微光学这 类微结构光学测量系统将暂露头角。 3、快速、高效的3D测量技术将取得突破，发展带 存储功能的全场动态测量仪器。
2 2 1 2
(1 4)
§1-1
2、消视差法
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向横移为准。由于无相对横 向位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。 采用本方法时，先使目标与标志横向对准，再摆 动眼睛，如果看到二者始终对准，则认为调焦完成。 消视差后目标与标志的轴向距离即为此方法的调 焦误差。 由于本方法把纵向调焦变成横向对准，从而可以 通过选择误差小的对准方式来提高调焦准确度。
§1-1
1、清晰度法
（1）几何焦深：假定标志真正成像在眼睛的视网膜 上，这时标志上的一点在网膜（像面上）的像是一个 几何点；调焦时目标不一定与标志位于同一平面上， 但是只要目标上一点在网膜上所成的弥散圆直径小于 眼睛的分辨极限，人眼仍然把这个弥散圆当成一个 点，即认为目标与标志同样清晰。当弥散圆直径等于 人眼分辨极限时，目标至标志距离 x （即为调焦极限 误差）的两倍 2 x称为几何焦深（因为目标在标志前 后等距是的效果相同).
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
一、人眼的对准误差和调焦误差 眼睛的对准误差以偏离量对眼睛中心的夹角表示。 眼睛的调焦误差以目标与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仪 器的有效放大率和有利的比较标志（如叉线或双线） 以提高对准和调焦的准确度。 人眼通过仪器观察目标时的对准和调焦误差应以 观察仪器的物方对应值表示,如图所示：
§1-1
1、清晰度法
由清晰度法产生的人眼调焦扩展不确定度为几何焦深 和物理焦深造成的调焦扩展不确定度的方和根，即
2 2 1 2 e De 8 ( m 1 ) KD 2 e
绪论
测试是指具有试验研究性质的测量，一般是测量、 试验和检验的总称。测试是人们认识客观事物的方 法。测试过程是从多个事物中摄取有关信息的认识 过程。在测试过程中，需要借助专门的设备，通过 合适的实验和必要的数据处理，求得所研究对象的 有关信息量值。 灵敏度是指测量系统输出变化量Δ y与引起该该变 化量的输入变化量Δ x之比。测量系统输出曲线的 斜率就是其灵敏度，对于线性系统，灵敏度是一个 常数。
百度文库所以： y
250
( mm )
(1 8)
x Δ β f f o
⊿y
f o
l
f o
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Δ
f e
δ
f e
§1 （一）对准
2、显微镜的对准误差
例1：V棱镜折光仪的显微镜放大率 58 ，显微镜 的数值孔径 NA 0.15 ，对准方式是夹线对准，
第一章 基本光学测量技术
第一节 光学测量中的对准与 调焦技术
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
基本概念： （一）对准（横向对准）------一个目标与比较标 志在垂直瞄准轴方向的重合和臵中。 注意： 1、目标、标志是广义的，在物空间比较时，是真正 的目标；在像方比较时，则是目标的像。 2、眼睛的瞄准轴是黄斑中心与眼睛后节点的连线； 光学仪器的瞄准轴是指光学仪器的某个对准用标志 与物镜后节点的连线。
绪论
一、光学测量与测试技术的作用： 利用光学原理进行精密测量，一直是计量测试技术 领域中的主要方法。由于光学测量方法具有非接触、 高灵敏度和高精度等优点，在近代科学研究、工业 生产、空间技术、国防技术等领域中得到广泛应 用，成为一种无法取代的测量技术。随着微光学和 集成光学的发展，光学测量系统向微型化、集成化 方向发展，促使光学测量技术成为近代科学技术与 工业生产的眼睛，是保证科学技术、工业生产发展 的主要高新技术之一。
§1-1
2、消视差法
设眼睛的摆动距离为 b ，所选对准方式的对准误差 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扩展不确定度 （调焦极限误差）根据（1-1）式可得：
1 l2 1 l1
b
(1 5)
单次测量的标准不确定度（单次测量标准偏差）为： 1 EP (1 6) 3 b
2 2 1 2
(1 3)
由于上式中两项误差皆属于随机误差，并且它们都服 从均匀分布规律，故单次测量的标准不确定度（单次 测量标准偏差）为：
ED
1 e 3 De 8 ( m 1 ) KD 2 e
绪论
4、发展闭环式光学测试技术，实现光学测量与控 制的一体化。 5、发展光学诊断和光学无损检测技术，一替代常 规的无损检测方法与手段。
绪论
四、光学测量与测试技术的基本概念
计量学是指研究、保证测量统一和准确的科学； 计量泛指对物理量的标定、传递与控制。 计量学研究的主要内容：计量单位及其基准、标准 的建立、保存与使用，测量方法和计量器具，测量 不确定度，观察者进行测量的能力以及计量法制与 管理等。计量学也包括研究物理常数和物质标准， 材料特性的准确测定。
2
8 ( m 1 ) KD 2 e
表1-1所示
(1 3)
消视差法
1 l2
1 l1
b
(1 5)
§1
二、 望远镜和显微镜的对准误差和调焦误差
人眼通过望远镜和显微镜去对准和调焦是为了提高 对准与调焦精度。 （一）对准误差 1、望远镜的对准误差 设人眼直接对准的对准误差为 ，望远镜的放大率 为 ，通过望远镜观察时物方的对准误差为 , 则 f e f o
γ
f o
f e
δ
§1（一）对准误差
γ
1、望远镜的对准误差
δ
f o
f e
f e f o
(1 7 )
例：V棱镜折光仪的望远镜放大率 6 ，入瞳直径 D 12 mm ，对准方式是夹线对准，极限对准误差 10 ，则望远镜的极限对准误差为：
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
（二）调焦（纵向对准） ---一个目标像与比较标志 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臵。 确定物体的共轭像面的位臵又称为定焦。 （三）对准误差---目标与标志在垂轴方向残留的偏 离量。 （四）调焦误差---定焦后目标像与标志沿轴向残留 的偏离量。
§1-1
1、清晰度法
由于物理焦深造成的人眼调焦扩展不确定度（调焦 极限误差） 2 可由下式求得：
K De2 8l 2 1 l2 1 l1 De2 8l1 8 KD
2 e
2
(1 2 )
K 的取值，按瑞利准则，波差应小于 / 4 ，即取 K 4
还有一些学者认为应取波差为 / 6 和 / 8 ，一般取 / 6 即 K 6 较为合适，其中 l2 l1 l 。
绪论
二、技术现状 利用自然界存在的光线进行计量与测试最早开始于 天文与地理测量中。望远镜和显微镜的出现，光学 与精密机械的结合，是许多传统的光学计量与测试 仪器广泛应用于各级计量即工业测量部门。激光器 的出现和信息光学的形成，特别是激光技术与微电 子技术。计算机技术的结合，出现了光机电一体化 的光学测量技术。在光机电金字塔中，塔顶是光， 光学是这个基础体系中的原理基础。
10 6 1.7
§1（一）对准误差
2、显微镜的对准误差
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扩展不确定度 Δy f e 设为 y ，则有：y Δy β Δy , δ
f e
250 因为 Γ β β Γe f e
§1-1
1、清晰度法
目标至标志距离
由此可见，几何焦深与人眼的极限分辨角 e 直接相关 。通常取 αe 1，当人眼观察远距离处的物体时，x 会 很大，这时调焦扩展不确定度（调焦误差）不用 x 表示，而应以目标和标志到眼瞳距离的倒数之差值表 示。设目标距离为l1 ，标志距离为 l2 ，则 l1 l 2 为 几何焦深的一半，眼瞳直径为 De ，人眼极限分辨角 为 e ，由于几何焦深造成的人眼调焦扩展不确定度 （极限误差）为： 1 1 e 1 (1 1)
绪论
测量是指将被测值和一个作为测量单位的标准量进 行比较，求其比值的过程。 从计量学的定义和内容可以看出，计量的主要表现 方式是测量。测量的目的是要得到一个具体的测量 数值，这个数值还应包括测量的不确定度。一个完 整的测量过程包括四个测量要素：测量对象和被测 量，测量单位和标准量，测量方法，测量的不确定 度。 检验是指判断测量是否合格的过程，通常不一定要 求具体数值。
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
有限距离物体的对准：
⊿y
无限远物体的对准：
γ
§1-1光学测量中的对准与调焦技术
对有限距离物体的调焦：
⊿x
对无限远物体的调焦：
R0
F
R
1
§1-1 一、 人眼对准误差和调焦误差
在实际的应用中，人眼是通过观察仪器（望远镜 和显微镜）来对准和调焦的，人眼在仪器的像方， 仪器的对准误差和调焦误差相当于人眼直接观察目 标时的误差。 （一）人眼的对准误差 常见的对准方式和人眼的对准误差见表1-1；（略）