光电测试第一章-1概要课件.ppt

1、光电测试技术光电测试技术 1-1 1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦目视系统的对准和调焦对准对准又称又称横向对准横向对准，是指一个目标与比较标志在是指一个目标与比较标志在垂直瞄准轴方向的重合或置中垂直瞄准轴方向的重合或置中。调焦调焦又称又称纵向对准纵向对准，是指一个目标与比较标志在，是指一个目标与比较标志在瞄准轴方向的重合。瞄准轴方向的重合。调焦的目的调焦的目的主要是使物体（目标）成像清晰，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，其次是为了确定物面或它的共轭像面的

2、位置，后者往往称为后者往往称为定焦定焦。对准以后，眼睛的对准以后，眼睛的对准不确定度是以对准对准不确定度是以对准残余量对眼瞳中心的夹角表示的残余量对眼瞳中心的夹角表示的。定焦以后，眼睛的定焦以后，眼睛的调焦不确定度以目标和调焦不确定度以目标和标志到眼瞳距离的倒数之差表示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。提高对准和调焦的准确度。1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦目视系统的对准和调焦1-

3、1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦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眼睛通过光学系统去对准或调焦的目的目的是利用系统的有效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。以对准和调焦不确定度应以观察系统的物方对应值表示。yFR0=R=1/观察系统物方的对准和调焦不确定度的表示 x11 人眼的对准不确定度和调焦不确定度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常见的对准方式和人眼的对准标

4、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()附注压线对准（单线与单线重合）60120两条实线重合时，设线宽分别为b1，b2()，则（b1+b2）/2（）实线与虚线重合时，设虚线宽为b1，b2b1b2+1时，1游标对准（一直线在另一直线延长线上）15线宽不宜大于1分界线aa应细而整齐夹线对准（一条稍粗直线位于两条平行细线中间）10三线严格平行。两平行线中心间距最好等于粗直线宽度的1.6倍叉线对准（一条直线位于叉线中心）10直线应与叉线的一条角等分线重合狭缝叉线对准或狭缝夹线对准10直线与狭缝严格平行aa1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦目

5、视系统的对准和调焦11 人眼的对准不确定度和调焦不确定度人眼的对准不确定度和调焦不确定度最简便最常用的调焦方法是最简便最常用的调焦方法是清晰度法清晰度法和和消视差法消视差法。清晰度法清晰度法是以目标与比较标志同样清晰为准。调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焦不确定度是由于存在几何焦深和物理焦深所造成的。成的。几何焦深几何焦深是指当弥散圆直径等于人眼分辨极限时，是指当弥散圆直径等于人眼分辨极限时，目标至标志的距离目标至标志的距离x的两倍的两倍2x。由几何焦深造成的人眼调焦由几何焦深造成的人眼调焦标准不确标准不确定度定度为：为：eeDall12111式中

6、，式中，以以m-1为单位，这时为单位，这时l1、l2和和De的单位为的单位为m，e的单位为的单位为rad。1l1l2l1l2Deae1122111111llfllf21211111llll12211()eeDllll21211111eellllD公式推导公式推导物理焦深物理焦深 根据衍射理论，由于眼瞳大小有限，即使是理想根据衍射理论，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也不再是一个点而成像，一物点在视网膜上的像也不再是一个点而是一个艾里斑。当物点沿轴向移动是一个艾里斑。当物点沿轴向移动dl后，在眼瞳后，在眼瞳面上产生的波差小于或等于面上产生的波差小于或等于/K（常取（常取K6

7、）时，）时，人眼仍分辨不出此时视网膜上的衍射图像与艾里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斑有什么差别。即如果目标与标志相距小于dl时时眼睛仍认为二者的像同样清晰，通常将眼睛仍认为二者的像同样清晰，通常将2dl称为称为物物理焦深理焦深。由物理焦深造成的人眼调焦的标准不确由物理焦深造成的人眼调焦的标准不确定度由下式求得：定度由下式求得：122288lDlDkee2122811eKDll式中，式中，l2l1dl；De为眼瞳直径（为眼瞳直径（De与波长与波长的单位皆为的单位皆为m）。）。光瞳处球面波方程可近似表示为 ：222xyzRx,yD（望远镜的出瞳直

8、径）时，（望远镜的出瞳直径）时，D=D为望远镜的入瞳直径；为望远镜的入瞳直径；当当DDe时，则时，则De为实际有效的入瞳直径，为实际有效的入瞳直径，D=De。（若光学系统位在同种介质中，角放大率（若光学系统位在同种介质中，角放大率是同一对共轭面内垂轴放大率的倒数）是同一对共轭面内垂轴放大率的倒数）1.2 望远镜的对准不确定度和调焦不确定度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）望远镜的调焦标准不确定度消视差法消视差法 将人眼的消视差法调焦不确定度换算到望远镜物方将人眼的消视差法调焦不确定度换算到望远镜物方注意：眼瞳的有效移动距离注意：眼瞳的有效移动距离b不等于眼瞳的实际

9、不等于眼瞳的实际移动距离移动距离t，而等于出瞳中心到进入眼瞳的光束中，而等于出瞳中心到进入眼瞳的光束中心的距离。如图所示。心的距离。如图所示。（因为在视网膜上像的位置由（因为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）进入眼瞳的成像光束的中心线与视网膜的交点决定）b21.2 望远镜的对准不确定度和调焦不确定度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）望远镜的调焦标准不确定度消视差法消视差法 调焦标准不确定度的调焦标准不确定度的 眼睛最大移动距离是眼睛最大移动距离是 眼瞳中心移至位于出眼瞳中心移至位于出 瞳边缘处：瞳边缘处：若若De2mm，则有，则有

10、42eDDb)1(21DbbtbD/2De眼瞳在出瞳面上摆动时的有效移动距离调焦扩展不确定度为：调焦扩展不确定度为：1232()(1)10mD其中其中的单位为的单位为radrad，DD的单位为的单位为mmmm例：校正平行光管的分划板位置，要求分划板位于平行光例：校正平行光管的分划板位置，要求分划板位于平行光管物镜的焦面上。设平行光管口径管物镜的焦面上。设平行光管口径 ，物镜焦，物镜焦距距 。用一个望远镜对向平行光管，观察它的。用一个望远镜对向平行光管，观察它的分划板像，当看到这个像与望远镜的分划板同样分划板像，当看到这个像与望远镜的分划板同样清晰清晰和和消消视差视差时，则认为平行光管已校正好。

11、设望远镜入瞳直时，则认为平行光管已校正好。设望远镜入瞳直径径 ，物镜焦距，物镜焦距 ，放大率，放大率 。问调焦误差有多少？问调焦误差有多少？c50Dmm550cfmm100TDmm1200ofmm40 用清晰度法：观察时实际通光口径用清晰度法：观察时实际通光口径500.05Dmmm取取22 3438()erad60.560.56 10mm22412628 0.56()()4.2 10()3438 40 0.056 0.0510m用消视差法：设对准方式是压线对准，取用消视差法：设对准方式是压线对准，取1眼瞳直径眼瞳直径2eDmm50 401.25Dmm得得31232 11.5 1040(1.25

12、 1)103438m（）1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦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显微镜的对准不确定度和调焦不确定度1）显微镜的对准扩展不确定度）显微镜的对准扩展不确定度设显微镜的总放大率为设显微镜的总放大率为，其中物镜的垂轴放大率为，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设为。通过显微镜观察时物方的对准扩展不确定度设为y，则有，则有 式中，式中，250 /fe，fe为目镜焦距；为目镜焦距；250mm为为人眼的明视距离；人眼的明视距离；为人眼对准扩展不确定度为人眼对准扩展不确定度（rad

13、）。）。y250补充知识：补充知识：放大镜和显微镜放大镜和显微镜我们知道，人眼的视角分辨率约为我们知道，人眼的视角分辨率约为1，如果能使用仪器扩，如果能使用仪器扩大视角，人们就可以看清肉眼直接观察时看不清的目标。大视角，人们就可以看清肉眼直接观察时看不清的目标。设同一目标用人眼直接观察时的视角为设同一目标用人眼直接观察时的视角为 ，在视网膜上，在视网膜上对应的像高为对应的像高为 ；通过仪器观察的视角为；通过仪器观察的视角为 ，在，在视网膜上对应的被仪器放大了的像高为视网膜上对应的被仪器放大了的像高为 ，则，则eyeeyeyinstruinstruytan()eyeeyey tan()instr

14、uinstruy 其中的其中的 为眼睛的像方节点到网膜的距离为眼睛的像方节点到网膜的距离。对于同一个目标，由于用人眼和用仪器观察时在视网膜上所对于同一个目标，由于用人眼和用仪器观察时在视网膜上所成的像的大小不同，便产生了放大的感觉。成的像的大小不同，便产生了放大的感觉。用仪器观察时网用仪器观察时网膜上的像高与人眼直接观察时网膜上的像高之比膜上的像高与人眼直接观察时网膜上的像高之比，表示了该，表示了该仪器的放大作用，一般用仪器的放大作用，一般用 表示，由上面的关系得到表示，由上面的关系得到 intan()tan()struinstrueyeeyeyy 由上式可以看到，由上式可以看到，等于同一目标

15、用仪器观察时的视角和人眼等于同一目标用仪器观察时的视角和人眼直接观察时的视角两者正切之比，所以称为仪器的视放大率。直接观察时的视角两者正切之比，所以称为仪器的视放大率。显然，对目视光学仪器的一个显然，对目视光学仪器的一个首要的要求就是扩大视角首要的要求就是扩大视角。此外，人眼在完全放松的自然状态下，无限远目标成像在此外，人眼在完全放松的自然状态下，无限远目标成像在网膜上，为了在使用仪器观察时人眼不至于疲劳，网膜上，为了在使用仪器观察时人眼不至于疲劳，目标通目标通过仪器后应成像在无限远，或者说要出射平行光束，这是过仪器后应成像在无限远，或者说要出射平行光束，这是对目视光学仪器的第二个共同要求。对

16、目视光学仪器的第二个共同要求。一、放大镜的工作原理一、放大镜的工作原理为了看清小物，我们设想，在人眼和物体之间放置一个透镜，为了看清小物，我们设想，在人眼和物体之间放置一个透镜，并使物与透镜物方焦平面重合。物先通过透镜成像在无限远，并使物与透镜物方焦平面重合。物先通过透镜成像在无限远，再进入人眼成像在视网膜上。再进入人眼成像在视网膜上。设透镜焦距为设透镜焦距为 ，物体通过透镜所成的像对人眼的视，物体通过透镜所成的像对人眼的视角角 为为finstrutan()instruyf人眼直接观察的视角人眼直接观察的视角 为为eyetan()eyeyl二者之比即为视放大率，但二者之比即为视放大率，但l是是

17、个不确定数，为了统一，取个不确定数，为了统一，取 l=-250mm即人眼的明视距离，则即人眼的明视距离，则视放大率为视放大率为tan()250tan()instrueyef 显然，显然，越小，越小，越大，放大的作用也就越大，这块越大，放大的作用也就越大，这块透镜就叫放大镜。由于透镜就叫放大镜。由于在一定的通光口径下，单个透镜在一定的通光口径下，单个透镜（组）的焦距不可能做得太短（组）的焦距不可能做得太短，所以放大镜的视放大率就所以放大镜的视放大率就受到限制，一般不超过受到限制，一般不超过15倍。倍。f二、显微镜的工作原理二、显微镜的工作原理为满足对更细小物体观察的要求，必须进一步提高视放大为满

18、足对更细小物体观察的要求，必须进一步提高视放大率。用放大镜观察的是放在焦面上的物体，如果我们把更率。用放大镜观察的是放在焦面上的物体，如果我们把更微小的物体先用一组透镜放大成像到放大镜焦面上，再通微小的物体先用一组透镜放大成像到放大镜焦面上，再通过放大镜观察，这样通过过放大镜观察，这样通过两级放大两级放大，就可以观察到更细微就可以观察到更细微的物体了。根据这样的思路，就形成了视放大率更高的显的物体了。根据这样的思路，就形成了视放大率更高的显微镜，微镜，把被观察物体进行尺寸放大的一组透镜就是显微物把被观察物体进行尺寸放大的一组透镜就是显微物镜镜；物体物体y首先经过显微物镜并在目镜的物方焦平面上形

19、成一首先经过显微物镜并在目镜的物方焦平面上形成一个放大的实像个放大的实像y，再经过目镜成像在无限远。，再经过目镜成像在无限远。人眼直接观察的视角正切为人眼直接观察的视角正切为tan()250eyey通过显微镜观察时，视角的正切为通过显微镜观察时，视角的正切为tan()instrueyf如图，假定光学筒长为如图，假定光学筒长为 ，根据牛顿公式的放大率公，根据牛顿公式的放大率公式有式有ooyyf oyyf tan()instruoeyf f 根据目镜（放大镜）的视放大率公式和对物镜应用的牛顿根据目镜（放大镜）的视放大率公式和对物镜应用的牛顿放大率公式可得放大率公式可得250oeoeff 即显微镜的

20、即显微镜的总视放大率等于总视放大率等于物镜的垂轴放大率物镜的垂轴放大率与与目镜的视目镜的视放大率放大率的乘积的乘积。显微物镜的垂轴放大率显微物镜的垂轴放大率 和显微目镜的视放大率和显微目镜的视放大率 都刻在镜管上，将两者相乘就可知道显微镜的视放大率。都刻在镜管上，将两者相乘就可知道显微镜的视放大率。通常使用的显微镜，物镜、目镜都配有多个，倍率各不相通常使用的显微镜，物镜、目镜都配有多个，倍率各不相同，不同的物镜与目镜搭配可以得到不同的总视放大率。同，不同的物镜与目镜搭配可以得到不同的总视放大率。oe根据组合系统的焦距公式，显微镜的组合焦距应为根据组合系统的焦距公式，显微镜的组合焦距应为12oe

21、f ff ff 250f 此式与放大镜的公式完全一样，因此，也可以把此式与放大镜的公式完全一样，因此，也可以把显微显微镜看成是一个组合的放大镜。镜看成是一个组合的放大镜。显微镜物面上能分显微镜物面上能分辨开的最短距离为辨开的最短距离为max0.610.61sin.nUN A为了充分发挥由上式所确定的显微镜的分辨率，使已被为了充分发挥由上式所确定的显微镜的分辨率，使已被显微镜分辨开的细节也能同时被眼睛所分辨，要求整个显微镜分辨开的细节也能同时被眼睛所分辨，要求整个显微镜必须有适当的视放大率。显微镜必须有适当的视放大率。例：例：V棱镜折光仪的显微镜放大率：棱镜折光仪的显微镜放大率：显微镜的数值孔径

22、显微镜的数值孔径对准方式是夹线对准，其扩展不确定度：对准方式是夹线对准，其扩展不确定度：则显微镜物方的对准扩展不确定度则显微镜物方的对准扩展不确定度58 0.15NA 1010 206265rad250 100.000210.2158 206265ymmm 关于对准标准不确定度的讨论关于对准标准不确定度的讨论1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦目视系统的对准和调焦y250望远镜望远镜显微镜显微镜由公式可以看出，对准的标准不确定度与放大率由公式可以看出，对准的标准不确定度与放大率成反成反比。是否可以认为，只要单纯增大比。是否可以认为，只要单纯增大，对准

23、的标准不确定，对准的标准不确定度必然减小呢？实践证明，度必然减小呢？实践证明，对准标准不确定度的减小还受对准标准不确定度的减小还受到光学仪器分辨率的限制到光学仪器分辨率的限制。因为即使光学仪器像质优良，。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。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单次对准标准不确定度最小只能达到它的理论分理论分辨率的辨率的1/61/10，即，即a1

24、0161minDa02.1)10161(minyNA51.01-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦目视系统的对准和调焦关于对准标准不确定度的讨论关于对准标准不确定度的讨论道斯判据道斯判据1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦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）显微镜的调焦标准不确定度清晰度法清晰度法 设显微镜物空间的折射率为设显微镜物空间的折射率为n时，经推导可得：时，经推导可得：eqefNAnax)(21222)(62s

25、in62NAnUnx222)(622NAnNAfnaxeqe250eqf其中等效焦距其中等效焦距250eqfmm121212112111eqnfxlnlllnlnl2211eqeeeqfDnnfxeqeeqeqeeqeqeeqefNAnfNAfnfufnfDnx22sin222216881222RDRDnURUR6sin2sin22122nRRU6)(2sin122222)(62sin62NAnUnx1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦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显微镜的对准不确定度和调焦不确定度3）显微镜的调焦标准

26、不确定度）显微镜的调焦标准不确定度消视差法消视差法 消视差法求调焦标准不确定度的方法与清晰度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法的方法相似。换算到显微镜物方有22eqeqfbnnfx2/)1(DbNAfDeq21DDNAfnxeq例：用一显微镜确定某分划板的位置。显微物镜例：用一显微镜确定某分划板的位置。显微物镜0.25NA10o目镜目镜10e 求显微镜对分划板刻线面调焦的调焦扩展不确定度。求显微镜对分划板刻线面调焦的调焦扩展不确定度。（1）清晰度法）清晰度法取取31,0.56 10,1emm n已知已知100,250/1002.5,0.25oeeqfmm

27、 NA 322321 1 2.52 1 0.56 10()()3.3 10()2 3438 0.256 0.25xmm 假如假如 ，则实际的数值孔径，则实际的数值孔径 ，1eDmmD0.20NA 这时这时5.0 xm（2）消视差法）消视差法设被调焦的分划板刻有直线，显微镜的分划板上刻有叉设被调焦的分划板刻有直线，显微镜的分划板上刻有叉线，故有线，故有100.17显微镜的出瞳直径显微镜的出瞳直径2()2 2.5 0.251.25eqDfNAmm设眼瞳直径设眼瞳直径 ，则，则2eDmm31 0.17 2.5 101.252.53438 0.251.25 1xm 1-1 光电系统的对准和调焦技术光电

28、系统的对准和调焦技术1.目视系统的对准和调焦目视系统的对准和调焦u关于两种调焦方法不确定度的讨论：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不确定度大大减小，因此，系统出瞳直径大大减小，因此，系统出瞳直径D2mm时，用消视差法准确度高；时，用消视差法准确度高；D1mm时，用清晰度法准确度高；时，用清晰度法准确度高；1mmD2mm时，两种方法准确度相差不多。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

29、晰，再左右摆动眼睛看说，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，最后以二者间有无视差，最后以“清晰无视差清晰无视差”定焦。定焦。1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术2.光电对准光电对准u光电探测不仅可以代替眼睛进行对准、定焦和读数；还可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。工作效率，而且是实现计算机实时控制和处理的前提。u目前，光电对准装置可分为光电显微镜和光电望远镜两大目前，光电对准装置可分为光

30、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类，两类仪器对准标准不确定度分别达到0.01m0.02m 和和 0.050.1u光电对准分类：光电对准分类：光度式：普通光度式、差动光度式光度式：普通光度式、差动光度式相位式相位式1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术2.光电对准光电对准光电自准直望远镜工作原理测微器振动狭缝鉴别器放大器指零仪表光敏电阻目镜分划板分束棱镜II分束棱镜I十字线分划板毛玻璃物镜平面镜2tan fl 1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术3.光电定焦光电定焦1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术3.光电定焦光电定焦。1-1 光电系统的对准和调焦技术光电系统的对准和调焦技术3.光电定焦光电定焦0ffddcocffdRd2sin22/sin2ccff dRM 扇形光栅法定焦系统a）b）c）用扇形光栅确定像面用扇形光栅确定像面0amaxa0-0.2 0 0.2af50a（%）100dR