光学测量原理和技术

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——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。

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Δl 后，眼瞳面上产生的波像差小于λ/K(常取K=6)，此时人眼仍分辨不出视网膜上的衍射图像有什么变化。

（清晰度）人眼调焦扩展不确定度：

（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δe ，

•

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 • 常用的对准方式；

2

2

2212

28e e e D KD αλφφφ⎛⎫⎛⎫'''=+=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭12111e

e

l l D αφ'=-=

2

2

21118e l l KD λ

φ'=-=

e

b

δφ'=

• 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

调焦

借助光学系统提高对准和调焦对准度 • 提高对准精度、调焦精度的途径； 书上没有 补充：

消视差法特点：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

第二章 自准仪基本部件

• 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

e γδ=Γ

2

φφ'=Γ

'250e e e f y δδβ∆==

Γ'''1e eq n f D NA x D δ∆=-()22

2'226e eq N n f NA x A n αλ

⎛⎫⎛⎫∆=+ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

2

2

28e D KD αλφ⎛⎫⎛⎫+ ⎪ ⎪Γ⎝⎭⎝⎭()23

2'110e

D δφ-=

Γ-⨯()2

2

2

'226e eq n f n x NA NA αλ⎛⎫⎛⎫∆+ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

'''1

e eq n

f D x NA D δ∆=

-e γδ=Γ

'250e e e

f y δδβ∆=

=Γ

min 11 1.02~,610D λγαα⎛⎫

== ⎪⎝⎭

min 110.51~,610y NA λ

εε⎛⎫

∆==

⎪⎝⎭

1'e e

D φα=2

2'8e KD φλ=22

12

'''φφφ+'e b

φδ=

• 什么是平行光管；

平行光管又称自准直仪，它的作用是提供无限远的目标或给出一束平行光。 主要由一个望远物镜和一个安置在物镜焦平面处的分划板组成。

• 三种自准直目镜的光路简图； 1、高斯式自准直目镜 特点：

亮视场暗刻线（透明分划板上刻不透光刻线）； 视轴与平面镜法线重合； 对比度较差；

有较强的杂散光。 2、阿贝式 特点：

目镜结构紧凑、焦距短易做成高倍率自准目镜； 对比度较好；

瞄准视轴与自准用平面镜法线不重合； 视场有部分遮挡； 可能出现光束切割。 3、双分划板式 特点：

亮视场暗刻线； 对比度较好； 视轴与平面镜法线重合；

结构复杂、可靠性较难保证

（要求两块分划板都准确位于物镜焦面上， 且二者刻线中心严格位于同一视轴上）

• 自准直望远镜、自准直显微镜（构成、光路简图）；

自准直目镜 + 显微物镜 = 自准直显微镜 自准直目镜 + 望远物镜 = 自准直望远镜

自准直望远镜

自准直显微镜

补充：调节平行光管的目的是：是分划刻线平面与物镜焦平面精确重合

平面镜准直物镜

分划板分光镜光源目镜

准直物镜

分划板目镜

分划板平面镜准直物镜分划板分光镜光源

目镜

第三章、焦距测量

• 放大率法的原理简图及测量装置；

凸透镜：

凹透镜：

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；

见书33页

放大率法焦距测量中的注意事项

1. 负透镜（测量显微镜工作距离大于负透镜焦距）

2. 光源光谱组成（色差）

3. 被测镜头像质

4. 近轴焦距与全口径焦距（球差）、测量显微镜NA 习题P39 题4、6 第四章、准直与自准直技术

• 准直、自准直的概念； 准直：获得平行光束。

自准直：利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上的方法。 • 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 准直激光束，用来作为基准直线

利用倒装望远镜法，实现激光束的准直

望远镜Γ越大，激光束发散角的压缩比越大！ • 自准直仪的类别；

一般指自准直望远镜和自准直显微镜。 • 实现自准直的方法；

利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上

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c f y y f '''

-=准直物镜被测透镜

光源人眼

平行光管

测量显微镜物镜目镜显微镜分划板匀光板