1、第 1 章 光学测量基础知识测测量的基本知量的基本知识识测测量误差及数据处量误差及数据处理理人人眼及目视光学仪器的瞄准误眼及目视光学仪器的瞄准误差差光光电瞄准技电瞄准技术术本章小本章小结结思考题与习题思考题与习题本章首先介绍光学测量的基础知识、误差来源及数据分析的方法，其次重点介绍人眼的特性及目视光学仪器的瞄准误差，最后介绍目前较新的光电瞄准技术。教学目的教学目的1.掌握光学测量的基本概念和测量方法的组成要素。2.掌握测量的分类及基本物理量和单位。3.掌握测量过程中误差来源分析和测量结果的数据处理方法。4.掌握人眼及目视光学仪器的瞄准误差。5.掌握光电瞄准技术的原理及方法。技能要求技能要求1.
2、能够根据测量目的，合理选择测量方法。2.掌握等精度测量的数据处理方法。3.掌握目视光学仪器瞄准误差的计算方法。4.掌握光电瞄准技术的基本原理。1.1 1.1 测量的基本知识测量的基本知识1.1.1 1.1.1 测量的概念测量的概念测量就是将被测量与一个作为计量单位的标准量进行比较，并确定出被测量是计量单位的几倍或几分之几的过程。若以 L 表示被测量，E 表示计量单位，则比值为于是，只要读出 q 值，就可得出测量结果:1.1.2 1.1.2 基本物理量及其单位基本物理量及其单位物理量是物理学中量度物体属性或描述物体运动状态及其变化过程的量，它们通过物理定律及其方程建立相互间的关系。目前，在实践中
3、引入的物理量的量纲是由国际单位制规定的七种基本物理量导出的。国际单位制的基本物理量有长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量和发光强度，见表 11。在国际单位制的有专门名称的导出单位中，与光学测量紧密相关的有两种，即光通量和光照度，见表 12。1.1.3 1.1.3 测量方法的组成测量方法的组成测量方法是对特定的测量对象测量某一被测量时，参与测量过程的各组成因素和测量条件的总和。它包括以下几个方面:(1)测量目的、被测对象和被测量:测量目的是指最终要求得的那个量;被测量是指直接与标准量进行比较的量，它本身也可以是测量目的;被测对象是指被测量的载体。以上三者都是确定测量方法的依据。(2)标准
4、量系统:是指用以体现测量单位的物质标准，用来与被测量进行比较，以便求得被测量。(3)定位系统:用以确定被测量的合理位置。(4)瞄准系统:用以确定被测量相对于标准量的位置，以便进行比较。(5)显示系统:将测得量进行运算，并显示出测量结果或作为控制信号的输出。(6)测量条件:任何测量都是在一定的条件下进行的，如环境、温度、湿度、压力、时间等。由此可知，在拟定了测量方案之后，完成一个测量过程通常需要经过以下几个步骤:(1)定位。定位就是按测量原则调整标准量和被测量至合适的位置。由于定位对测量原则的偏离将造成测量误差，因此，应设计、选择合适的定位方法。(2)瞄准。为了进行比较，定位之后，必须使被测量的
5、一个端点或该端点的像与标准量的某一位置重合，称为瞄准。瞄准是测量过程中基本的步骤之一，只有瞄准后，才能由标准量上读出被测量的大小。瞄准产生的误差将直接影响测量的精度，为了减小瞄准误差，必须要设计较好的瞄准方法。(3)读数。瞄准之后，我们并没有得到关于被测量的数量概念，这只有在对两个瞄准位置读数(在标准量上)之后才有可能。读数是将瞄准位置用数字形式确定下来，就是瞄准位置的数字表现形式。读数也会产生误差，同样影响测量的精度，因此，还必须研究提高(4)数据处理。得到测量的原始数据之后，就可求得被测量的大小，并可按测量原理方程式求得测量目的。同时，还要考虑到测量环境对测量结果的影响而进行必要的修正。最
6、后，依据测量误差理论给出测量结果。目前，在一些自动化检测设备中，读数和数据处理都由仪器自动完成，并显示最后的测量结果，或作为控制信号输出。1.1.4 1.1.4 测量的分类测量的分类对测量的分类可以从以下几个不同的角度进行。1.1.按获得测量结果的方式分类按获得测量结果的方式分类从获得测量结果的方式来分，测量可分为直接测量和间接测量。直接测量:测量目的就是被测量，此时，测量目的直接与标准量进行比较，从而求得测量目的的大小。间接测量:在这种测量中，被测量不是测量目的。测量目的的大小，是通过与它有一定关系的被测量的测量，而间接地按已知的函数关系求得的。2.2.按比较方式分类按比较方式分类按照比较方
7、式的不同，测量可分为绝对测量和相对测量。绝对测量:通过与绝对标准量进行比较而实现的测量称为绝对测量。相对测量:通过与相对标准量进行比较而实现的测量称为相对测量。相对测量直接得到的是对标准值的偏差。3.3.按接触形式分类按接触形式分类按照接触形式的不同，测量可分为接触测量和非接触测量。接触测量:测量时，瞄准是通过量具或者量仪的触端与被测对象发生机械接触来实现的。非接触测量:测量时，瞄准不是通过量具或量仪与被测对象发生机械接触，而是通过与其它介质(光、气流等)接触来实现的，或者说测量过程中的瞄准是非机械式的。4.4.按测量目的的数目多少分类按测量目的的数目多少分类按照测量目的数目的不同，测量可分为
8、独立测量和组合测量。独立测量:只有一个量作为测量目的的测量。一般说来，它的测量原理可用一个方程式来表示。组合测量:测量目的为两个及两个以上的测量。此时，测量原理必须用方程组来表示。5.5.按测量时所处的条件分类按测量时所处的条件分类按照测量时所处条件的不同，测量可分为等精度测量和非等精度测量。等精度测量:在同一条件下进行的一系列重复测量，称为等精度测量。如每次测量都使用相同的方法、相同的仪器、在同样的环境下进行，而且每次都以同样的细心和注意程度来工作等。非等精度测量:在多次测量中，进行每一次测量时，若对测量结果精确度有影响的一切条件不能完全维持不变，则所进行的一系列重复测量称为非等精度测量。6
9、.6.按实用情况分类按实用情况分类按实用情况的不同，测量可分为实验室测量和技术测量。实验室测量:这类测量需要考虑测量误差的数值，其任务是给出测量误差的值。技术测量:这类测量只需要考虑误差的上限值，而不考虑误差的具体值，其任务是给出测量目的的最佳值及误差的极限值。除了上述对测量进行的分类外，还可按测量时被测量所处的状态，将测量分为静态测量和动态测量，这里不再详述。1.2 1.2 测量误差及数据处理测量误差及数据处理1.2.1 1.2.1 量的真值和残值量的真值和残值量的真值是指一个量在被测量时，该量本身所具有的真实大小。量的真值是一个理想概念，一般来说真值是不知道的。在实际测量中，常用被测量的实
10、际值或已修正过的算术平均值代替真值。所谓实际值，就是满足规定准确度的用来代替真值使用的量值。残值也叫残差，是指测量列中的一个测得值 ai 和该列的算术平均值 a 之间的差值 v i，即v i =a i a(13)1.2.2 1.2.2 测量误差的来源和分类测量误差的来源和分类总的来说，测量误差产生的原因可归纳为以下几种:(1)测量装置误差:来源于读数或示值装置误差、基准器(或标准件)误差、附件(如光源、水准器、调整件等)误差和光电探测电路误差等，按其表现形式可分为机构误差、调整误差、量值误差和变形误差等。(2)环境误差:温度、湿度、气压、照明等与要求的标准状态不一致或由于振动、电磁干扰等导致的
11、误差。(3)方法误差:由于测量采用的数学模型不完善，利用近似测量方法等引起的误差。(4)人员误差:由于人眼分辨率限制、操作者技术水平不高和固有习惯、感觉器官的生理变化等引起的误差。有时候被测件本身的变化也可造成误差。测量误差按其特点和性质，可分为系统误差、偶然误差(随机误差)和粗大误差三类。(1)系统误差:在偏离测量规定条件时或由于测量方法所引入的因素，按某确定规律引起的误差。系统误差可按对误差掌握程度分为已定系统误差(大小和符号已知)和未定系统误差。系统误差可用理论分析或实验方法判断，对已定系统误差用加修正值的方法消除。(2)偶然误差:也称随机误差，是指在实际测量条件下，多次测量同一量时，误
12、差的绝对值和符号以不可预定的方式变化的误差。但偶然误差就整体而言是符合统计规律的。(3)粗大误差:超出规定条件下预期的误差。如读错或记错数据、仪器调整错误、实验条件突变等引起的误差。含有粗大误差的测量值应当删除。1.2.3 1.2.3 偶然误差的评价偶然误差的评价对于偶然误差的评价，由于单个误差的出现没有规律性，因此采用标准偏差、平均误差、或然误差及极限误差等表明某条件下一组测量数据的精密度。其中，常用的是标准偏差和极限误差。测量列中单次测量的标准偏差 0 是表征同一被测量值的 n 次测量所得结果分散性的参数，按下式计算:式中:d i为测量得值与被测量真值之差。极限误差是指各误差实际上不应超过
13、的界限。极限误差由 t 0 确定，t 为系数，它由偶然误差分布决定。偶然误差主要有以下三种分布。1.1.正态分布正态分布当由测量过程中多个互不相关的因素引起测量值微量变化而形成偶然误差时，量值的误差分布服从正态分布。由于大多数偶然误差服从正态分布，所以正态分布是极其重要和有用的。正态分布具有如下特征:对称性:绝对值相等的正误差和负误差的概率相等。单峰性:绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的概率大。有界性:在一定的测量条件下，偶然误差的绝对值不会超过一定的限度。抵偿性:偶然误差的算术平均值随着测量次数的不断增加而趋于零，即正态分布的标准偏差 0 和极限误差 的关系为 2.2.等概率分布等概率分布
14、等概率分布又称均匀分布，偶然误差在区间-，+内各处出现的概率相等，区间外概率为零。显微镜或望远镜对物体进行调焦时，调焦在景深范围内任一点，像均是清晰的，超出景深范围就不清晰了，所以调焦误差服从等概率分布。等概率分布的标准偏差 0和极限误差 的关系为1.2.4 1.2.4 算术平均值和残差算术平均值和残差对某一量进行一系列等精度测量，测得值为x 1，x 2，x n取算术平均值，有此时式(13)中的 v i 应为偶然误差 i，由该式求和得由于偶然误差的抵偿性，当 n 时，故可见，当测量次数 n 无限增大时，算术平均值趋于真值。当测量次数有限时，可把算术平均值近似地视为真值。因此，测量中用算术平均值
15、表征真值。各测得值与算术平均值之差代表残差。残差有以下两个性质:(1)当 n 时，残差代数和为零，即(2)残差的平方和为最小，即1.2.5 1.2.5 算术平均值的标准偏差算术平均值的标准偏差真值往往是无法确切知道的，只能用算术平均值代替真值，又由于测量次数总是有限的，因此标准偏差只能由残差计算出的所谓标准偏差来估计。在有限次数的测量中，用残差求出的 估计 0 的计算公式如下:算术平均值的标准偏差最佳估计值 x 为1.2.7 1.2.7 粗大误差的判断粗大误差的判断常用的粗大误差判断准则有五种:拉依达(PauTa)准则、格拉布斯(Grubbs)准则、肖维勒(Chauvenet)准则、狄克逊(D
16、icon)准则和 T 检验准则。T 检验准则的判断步骤如下:(1)将测得值由小到大排列为 x 1，x 2，x n。(2)选定风险率 ，一般取 5%或 1%。(3)计算判定值 T。如果 x 1或 x n是可疑的，则(4)根据 n 和 查表 13 得 T(n，)值。若 T T(n，)值，则相应的 x 1或 x n就应舍去。1.2.8 1.2.8 有效数字有效数字关于有效数字值和计算法则应注意的问题:一切表示误差和精度的数字，一般都保留一位;测量结果数据的有效数字，应与结果的误差位数适应，即由测量误差确定测量结果的有效数字。2.2.间接测量数据处理步骤间接测量数据处理步骤(1)计算间接测量值 v，v
17、=f(x 1，x 2，x n)，一般是对某一值 x 1直接测量，其余x 值已知;(2)计算间接测量值的标准偏差估计值:(3)由 v 确定测量结果的有效数字。1.3 1.3 人眼及目视光学仪器的瞄准误差人眼及目视光学仪器的瞄准误差1.3.1 1.3.1 人眼在测量中带来的瞄准误差人眼在测量中带来的瞄准误差1.1.瞄准误差的概念瞄准误差的概念对准:指在垂直于瞄准轴方向上，使目标和比较标记重合或置中的过程，又称为横向对准。对准残留的误差称为对准误差。调焦:指目标和比较标记沿瞄准轴方向重合或置中的过程，又称为纵向对准。调焦残留的误差称为调焦误差。在测量中对准误差和调焦误差都称为瞄准误差。2.2.对准误
18、差对准误差人眼的对准误差除与视场的照度、目标的对比度有关外，还与目标的形式(或对准方式)有关。图 1.1 给出了几种常见的对准方式及其可能产生的对准误差。图 1.1 对准方式及其对准误差(a)直线与直线重合;(b)单线线端对准;(c)叉线对准;(d)夹线对准或置中;(e)虚线与实线对准;(f)多线线端对准3.3.调焦误差调焦误差对于调焦误差，有两种计算方式。一种是用物像清晰作为定焦条件，可按下式计算:其中:SD 为视度差；为工作波长；n 为仪器物方介质折射率；K 为波像差容限；为仪器物方实际工作孔径。另一种是用空间的线量表示，可按下式计算:1.3.2 1.3.2 人眼通过目视光学仪器观察时的瞄
19、人眼通过目视光学仪器观察时的瞄准误差准误差1.1.对准误差对准误差1)望远镜观察式中：为人眼通过望远镜观察时的对准误差；为人眼对准误差；为望远镜视放大率。2)显微镜观察在明视距离处，与人眼对准误差相应的横向距离为通过倍率为 M 的显微镜观察时，对准误差为2.2.调焦误差调焦误差常用的调焦方式有清晰度法和消视差法。清晰度法:以目标像和比较标志同样清晰为准，其调焦误差由几何景深和物理景深决定。消视差法:以眼睛垂直于瞄准轴摆动时看不出目标像和比较标志有相对错动为准，调焦误差受到对准误差影响。1)望远镜观察(1)清晰度法。极限误差:标准偏差:式中：D 为望远镜物方的有效通光孔径；为照明光波长(m)；为
20、人眼极限分辨角(分)。(2)消视差法。极限误差:标准偏差:式中：为人眼对准误差(分)；D 为望远镜出瞳直径；D e 为眼瞳直径。2)显微镜观察(1)清晰度法。极限误差:标准偏差:(2)消视差法。极限误差:标准偏差:由于人眼的生理特性，无论是对准还是调焦均有一定程度的误差。为提高对准和调焦精度，现在广泛采用光电对准和定焦。此外，为提高定焦精度，人们也常采取以下三种措施:(1)将纵向调焦变为横向对准，如半透镜定焦法;(2)利用人眼的体视锐度(10 )，如立体视差仪定焦法;(3)利用人眼的衬度灵敏度(5%)，如双星点定焦法。1.4 1.4 光电瞄准技术光电瞄准技术1.4.1 1.4.1 光电自动对准
21、光电自动对准用人眼对准，劳动强度大，效率低，精度差，而且易受主观因素影响，不便于测量自动化。为了克服上述缺点，人们发展了光电探测技术。光电探测不仅可代替人眼进行对准、定焦和读数，更重要的是可大大提高对准和定焦精度。另外，通过光电探测高准确度地提取信号并输入计算机中，计算机才能有效地进行实时控制和处理，实现测量的自动化，提高工作效率，扩大仪器的应用范围。近年来，以 CCD 传感器为代表的各种新型光电探测器发展很快，光电对准和光电定焦已越来越广泛地应用于各种测量仪器中。目前，目视光学仪器选择好的对准方式，其对准误差通常只能做到 1 2 和 23 m，而采用光电对准装置后，其对准误差可达到 0.01
22、 0.1 和 0.010.02 m，精度比目视对准要高一个数量级以上。光电对准的基本思想是使目标(通常是刻线)成像在狭缝上，并在狭缝的后面安置光电接收器。光电元件通常总是固定不动的，因此，目标的像和狭缝两者之中有一个位置发生变动，透过狭缝的光通量便会发生变化，光电接收器就会输出变化的电信号，对电信号做适当处理，就可确定对准状态。由此看来，获得目标的像和狭缝间的相对运动，至少有两种方案;其一是在射向狭缝的成像光路中设置摆动反射镜，使目标的像随着反射镜的摆动而相对狭缝运动，或者是使狭缝振动，这就是静态光电对准;其二是使目标(及其像)相对狭缝运动，这种对准为动态光电对准。根据工作原理的不同，光电对准
23、又可分为光度式和相位式。光度式是根据光电接收器接收的光通量大小的变化，来分析、确定对准状态;而相位式是按光电接收器输出的信号的相位特征来确定对准状态。光电对准装置可分为光电显微镜和光电望远镜两大类，主要采用对准线条的方式。图 1.2 所示为一种二维光电自准直仪的光学原理图。位于准直物镜两个共轭焦面上相互正交的目标狭缝，由发光二极管发出的光经传光光纤和聚光镜照明，分别通过分光镜和物镜准直出射后返回，又分别成像在与目标狭缝共轭的两个线阵 CCD 探测器上，两路CCD 接收信号分别经 A/D 转换成数字信号，再经相关电路精度完成数字信号处理，由液晶屏实时显示，RS 232 接口可将两路测量数据传输到
24、计算机分别进行 x 轴和 y 轴两个方向的对准。图 1.2 二维光电自准直仪光学系统示意图图 1.3 所示是相位式光电自准直望远镜工作原理图。狭缝每振动一次，就有两次被目标的像挡住的机会，于是光通量有两次最小。光电接收器输出的光电流脉冲的变化与光通量的变化一致。在对准状态下，两次输出脉冲的相位相等，如经差动输出，输出为零，用电表指示时，指针处于零位;在非对准状态下，两次输出脉冲的相位不等，差动输出不为零，电表指针将偏离零位，偏离方向取决于两脉冲序列平均值的高低，从而可确定像偏离的方向。图 1.3 相位式光电自准直望远镜工作原理图1.4.2 1.4.2 光电自动定焦光电自动定焦定焦实质上就是要确
25、定物镜的最佳像面的位置。对于不同的应用场合，最佳像面则可能用不同的方法定义，因此，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或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。根据确定最佳像面的标准不同，光电定焦的方法也很多，如扇形光栅法、小孔光阑法、刀口检验法和 MTF 法等。这里仅举两例，说明定焦原理。1.1.刀口检验法刀口检验法如图 1.4 所示，用准直光线照明被检物镜 5，并用场镜 6 将被检物镜
26、 5 的出瞳 D 成像在接收面 上。在该像的范围内，于光轴上下对称安置两个光电器件 A 和 B，作为光接收器，于被检物镜的焦平面附近，安置转动的刀口叶片，用以切割成像光束，如图 1.5 所示。设刀片从光轴上方切下，当刀口叶片处在焦内时，射向光电器件 A 的光束先被切割，然后是光电器件 B。因此，光电器件 A 输出的电信号相位超前;反之，刀口叶片处在焦外时，光电器件 B 输出的电信号相位超前;如果刀口叶片正切在焦点时，两信号的相位差等于零。图 1.4 刀口检验法光电定焦结构原理图 图 1.5 转动刀口切割成像光束由上述分析可见，只要能检测出两信号的相位差(正、负或零)，就可以确定调焦的状态。检测
27、电路的框图，可以采用图 1.6 所示的形式。图 1.6 检测电路框图2.2.利用电荷耦合器件利用电荷耦合器件(CCD)(CCD)定焦定焦CCD 传感器已广泛用于电视摄像和工业检测的各个领域。由于它具有高的分辨力，并可与微机联接实现自动检测，因而具有广泛的应用前景。1)CCD 对应不同离焦量的输出特性当光亮目标成像在 CCD 器件时，CCD 输出电压最大。离焦后，由于投射到 CCD 像素上的光能量下降，因而输出电压下降。由物理光学衍射原理可知，对不同方向的离焦，输出电压下降是对称的。2)自准直法自动定焦原理利用自准直原理，在被检物镜像面位置安置狭缝板和 CCD 器件，如图 1.7 所示。图 1.
28、7 利用 CCD 定焦结构原理狭缝板上开出两个狭缝 A 和 B，并用光源通过聚光镜进行照明。CCD 器件的安置，应保证其接收面与狭缝板保持一定的位置关系，即狭缝板上的两狭缝应分别位于 CCD 器件接收面的两侧，并且对该面的距离相等。狭缝板与 CCD 器件固定在一起，可以沿光轴移动，并应保证两狭缝的自准直像均能投射到 CCD 器件上。定焦时，轴向移动狭缝板和 CCD 构成的组合器件。当 CCD 接收面刚好位于焦面上时，由于两狭缝具有相同的离焦量，CCD 可输出两个相等的信号。如果 CCD 离焦，那么两狭缝的离焦量不等，因而 CCD 将输出两个量值不等的电压信号，两信号经保持、采样，送入计算机比较
29、。若相等，表示已处于定焦位置;若不等，表示有离焦。如利用两信号的差值去控制步进电机，以实现自动调整，可达到自动定焦的目的。随着图像采集技术和数字图像处理技术的快速发展，数字图像自动调焦(又称聚焦)技术也获得快速发展，并成为图像测量技术、计算机视觉技术等的关键技术之一。基于数字图像处理的自动调焦过程可以描述为:计算机通过光学系统和图像采集设备采集到一系列的数字图像，对每一帧图像进行实时处理，判断聚焦是否准确、成像是否清晰，并给出反馈信号控制镜头的运动，直到采集到的图像符合使用要求，即完成自动调焦。本本 章章 小小 结结1.测量:就是将被测量与一个作为计量单位的标准量进行比较，并确定出被测量是计量
30、单位的几倍或几分之几的过程。2.国际单位制中光学量的导出单位:光通量和光照度。3.测量方法包括:测量目的、被测对象和被测量，标准量系统，定位系统，瞄准系统，显示系统，测量条件。4.测量的分类(1)按获得测量结果的方式分类:直接测量和间接测量。(2)按比较方式分类:绝对测量和相对测量。(3)按接触形式分类:接触测量和非接触测量。(4)按测量目的的数目多少分类:独立测量和组合测量。(5)按测量时所处的条件分类:等精度测量和非等精度测量。(6)按实用情况分类:实验室测量和技术测量。5.测量误差产生的原因:测量装置误差、环境误差、方法误差和人员误差。7.光电对准的基本思想是使目标(通常是刻线)成像在狭
31、缝上，并在狭缝的后面安置光电接收器。分为动态光电对准和静态光电对准。思考题与习题思考题与习题1.阐述测量的概念。测量由哪些要素构成?2.测量有哪些分类方式，每种分类的含义是什么?3.测量的基本步骤有哪些?4.比较三种偶然误差分布规律(正态、等概率、三角形)，并说明各自的特征。当三种分布的极限误差相等时，哪种分布精度高些?5.分别导出以清晰度调焦法和消视差调焦法表示的望远镜、显微镜的调焦误差公式。6.要提高通过望远镜和显微镜观测时的对准精度，应从哪些方面着手?7.光电对准的基本思想是什么?简述刀口检验光电定焦法的基本原理。8.焦距仪上的测量目镜(f=17mm，用叉丝对准)，测得某一像高y=2.2
32、5mm，求由对准误差引起的像高的相对测量标准偏差 y/y。9.欲使望远镜的瞄准误差不大于 1 (采用夹线方式对准),已知目镜放大率 e=12.5,求望远镜的物镜焦距f和通光口径 D 至少应多大?10.某经纬仪水平度盘刻度圆直径 =120mm,若读数显微镜因对准(叉丝对准方式)产生的测角误差不大于 0.5 ,求显微镜放大倍率是多少?物镜的数值孔径至少应多大?(假设光源波长 =560nm)第 2 章 常用光学测量仪器及基本部件2.1 2.1 平行光平行光管管2.2 2.2 自准直目自准直目镜镜2.3 2.3 测微目测微目镜镜2.4 2.4 光具光具座座2.5 2.5 测角仪测角仪器器2.6 2.6
33、 积分球和球形平行光积分球和球形平行光管管2.7 2.7 单色单色仪仪2.8 2.8 干涉仪干涉仪 2.9 2.9 波面相位光电检测技术波面相位光电检测技术 本本章小章小结结思考题与习题思考题与习题本章介绍光学测量的基本仪器与部件，它们包括:平行光管、自准直目镜、测微目镜，以及由它们组成的望远镜和显微镜，光具座，精密测角仪与经纬仪，积分球与球形平行光管、刀口仪、单色仪及干涉仪。在介绍仪器的同时，还介绍了光学测量中经常用到的最基本的原理和方法，如:自准直法、阴影法和干涉法。这些是从事光学测量的前提，是合理选择测试设备、设计新的试验方案及组合新的实验设备的基础。最后还介绍了最新的波面相位光电检测技
34、术。教学目的教学目的1.掌握平行光管的作用、光学原理及调校方法。2.掌握自准直法的基本原理、三种自准直目镜的基本结构及各自的优缺点。3.掌握两种常见测微目镜的结构、细分原理及读数方法。4.了解光具座的基本配置及各部件的作用。5.掌握精密测角仪与经纬仪的测角原理和各自的使用方法。6.了解积分球与球形平行光管的基本结构和用途。7.了解刀口阴影法的基本原理及刀口仪的主要结构。8.掌握单色仪的用途及棱镜式单色仪的工作原理。9.掌握几种有标准镜干涉仪的基本结构和工作原理;了解无标准镜干涉仪的工作原理。10.了解波面相位光电检测技术的原理及基本应用。技能要求1.能够在实验中正确使用平行光管。掌握光学测量中
35、的重要方法自准直法。2.能够在实验中正确使用前置镜、自准直显微镜及测微望远镜和测微显微镜。3.能够根据测量要求正确选用光具座的相关配件。4.能够利用精密测角仪或经纬仪进行有关角度方面的测量。5.能够根据实际要求选择并使用合适的单色仪。6.能够利用干涉仪进行面形偏差、曲率半径等参数的测量。2.1 2.1 平平 行行 光光 管管平行光管是许多光学仪器的检校仪器和光学测量仪器的主要部件之一。它的作用是提供无限远的目标。在几何光学的范围中，当目标为一个点时，射出平行光管的光为一束平行光;当目标点偏离光轴时，平行光管提供了与光轴成一定夹角的平行光束，夹角大小取决于目标点偏离光轴的程度。随着目标尺寸的变大
36、，光束的平行性变差，或者说由平行光管射出的光是不同方向的平行光束的组合。实际上，由于衍射现象的存在，即使目标点是严格的几何点，由平行光管射出的光，也不可能是理想的平行光，最好的估计也只能说是“准平行光”。尽管如此，为了方便，一般还是说“平行光管给出平行光”，其含义包含上述的全部内容。2.1.1 2.1.1 平行光管的光学原理及主要结构平行光管的光学原理及主要结构一、一、平行光管的光学原理图平行光管的光学原理图图 2.1 所示为典型的平行光管光学原理图。图 2.1 典型的平行光管光学原理图二、二、平行光管的基本结构平行光管的基本结构及主要组成部分及主要组成部分图 2.2 所示为国内常用的 CPG
37、 550 型平行光管光路结构示意图，并附有高斯目镜和可调式平面反射镜。图 2.2 CPG 550 型平行光管结构示意图1.1.物镜物镜物镜是平行光管中起折光作用的元件。它把自分划板上的物点发出的发散光束变成平行光束射出，从而给出无限远的“点”目标，即把有限远的物转化为无限远的目标。根据使用要求的不同，物镜有多种形式，例如:孔径较小，要求不太高时，使用一般的双胶合物镜;当孔径较大时，胶合很困难，一般用双分离的形式，即两片互相分离的镜片构成物镜;在某些应用场合，希望能调节(改变)物镜的焦距，就要设计可调焦距物镜;对于要求较高的物镜，同时要求复消色差，这时使用复消色差物镜;当要求大视场时，则可使用照
38、相物镜作为平行光管的物镜;在某些要求特大孔径、长焦距的情况下，透射式常难于实现，就可采用反射面作为物镜，即所谓的反射物镜。2.2.分划板分划板分划板是置于物镜焦平面上并刻有一定图案的玻璃平板。其上图案的形状，就是平行光管给出无限远目标的形状。目标的方向，取决于给出该目标的图形在分划板上的位置。常见分划板图案的形式如图 2.3 所示。图 2.3(a)为十字分划板，其作用是用来调焦和光路共轴的;图 2.3(b)为玻罗板，它与测微目镜或显微镜组组合，用来测定透镜或透镜组的焦距。玻罗板的玻璃基板上用真空镀膜的方法镀有五组线对，各组线对之间距离的名义值分别为 1.000mm、2.000mm、4.000m
39、m、10.000mm 和 20.00mm，使用时应以出厂的实测值为准;图 2.3(c)为分辨率板，该板有两种(2 号、3 号)，可以用来检验物镜和物镜组件的分辨率，板上有 25 个图案单元，对于 2号板，从第 1 单元到第 25 单元每单元条纹宽度由 20 m 递减至 5 m，而 3 号板则由40 m 递减至 10 m;图 2.3(d)为星点板，星点直径 0.05mm，通过光学系统后产生该星点的衍射图样，根据图样的形状可以定性检查系统成像质量的好坏。3.3.照明系统照明系统照明系统的作用是为了使分划板得到良好的照明，从而使获得的无限远(或有限远)目标具有一定光强度、较好的对比度及照度均匀的视场
40、，或者为了改变光源的空间相干性，以获得非相干照明。最简单的照明系统由光源和毛玻璃构成。光源应按对出射平行光管的光的要求来选择。如要求出射单色光，那么光源就必须选用单色光源或白炽灯光源加滤光片实现;如要求相干性，则除了对单色性有要求外，还要限制光源的尺寸。根据对出射光的强度要求选择光源的功率。要求较高的照明系统，常常还要加入聚光镜，改变光源发出的光束的结构，使照明更均匀，同时充分利用光源发出的光能。使用毛玻璃，可以改善照度的均匀性，同时可以获得较好的非相干照明，并限制灯丝通过物镜成像。三、三、平行光管的结构形式平行光管的结构形式由于使用要求或客观条件的限制，平行光管的结构形式也是多种多样的，常见
41、的有下面几种:直管式:当焦距较短时常采用这种形式，这种结构简单，制造方便。分离式:当焦距较长时，如几米甚至几十米以上，由于结构的限制，常做成分离式。例如，将物镜系统和分划板分别固定在两个泥台上。折转式:为了缩小体积或某些工作条件的方便，可以将光轴折转，即光轴折转式。折转的角度可以根据需要而定。反射式:当采用反射式物镜时，就构成了反射式。可调式:当要求在一定范围内给出有限远目标时，采用可调式分划板。球形平行光管:平行光管做成球形，并提供无限远的黑目标，用于测定产品的杂光系数。2.1.2 2.1.2 平行光管的调校平行光管的调校平行光管的调校，指的是将分划板的刻划面准确地安放在物镜焦平面上的装校过
42、程。由于不便直接确定焦平面的位置，因此常利用焦平面的如下特性来确定:(1)无限远的物成像在焦平面上。因此，可用像(它是可以看得见的)的位置确定焦平面的位置。(2)物处于焦平面上时，其上一物点发出的光经物镜后必成为平行光束射出，即像在无限远处。因此，也可用像在无限远这一特性确定焦平面的位置。基于这些考虑，设计出了远物法、五棱镜法、双经纬仪法、可调前置镜法、自准直法以及三管法等多种方法。下面介绍几种常用的方法。一、自准直法所谓自准直法，是指使位于分划板面上的发光物(一般是指被照明，而不是自发光)发出的光线经物镜出射后，由反射面反射回来，并且又成像在分划面上的方法。能够实现自准直法的望远镜和显微镜，
43、分别称为自准直望远镜及自准直显微镜。1.1.自准直法的调校原理自准直法的调校原理用自准直法调校平行光管，是将平行光管的分划板配上带有分划板照明装置的目镜构成所谓自准直目镜(见 2.2 节)，该自准直目镜和平行光管物镜就构成了自准直前置镜。将该准直前置镜对向一个标准平面反射镜，并用分划板的分划对反射像调焦，实现自准直，从而达到校正的目的。其原理见图 2.4。调焦完毕，就认为平行光管已调校好。图 2.4 自准直法调校平行光管2.2.调焦误差调焦误差1)分划板对焦面的调焦误差用自准直法调校平行光管，是通过对分划板上的分划与其反射像的调焦来实现的。当分划板对物镜的焦平面偏离很小时，容易证明 AF1 F
44、1 A，因此有其中:F 1A 为平行光管的分划板与焦面间的调焦误差;AA 为望远系统的调焦误差。所以用自准直法调校平行光管时，分划板对焦平面的调焦误差等于平行光管物镜与目镜组成的望远镜系统的调焦误差的一半。清晰度法调焦:消视差法调焦:2)标准平面反射镜面形偏差的影响如果标准平面反射镜存在面形偏差，例如它实际上是个球面，那么它必将影响到反射像 A 的位置，导致 AF 1 与 F1 A不再相等，于是用式(21)计算必然存在误差，这是引起调焦误差的又一因素。设标准平面反射镜口径为 D 的范围内的面形误差为 N 个光圈，对应的矢高为 x R=N/2(为光波波长)，则对应的曲率半径为由此可得式中 R 的
45、单位取 m，D 的单位取 mm，的单位取 m。所以自准直法调校平行光管总的调焦误差为了提高调校精度，应该适当提高标准平面反射镜的质量，并减小望远镜系统的调焦误差，这就应该尽可能地利用平行光管物镜的全孔径。因此，实践中标准平面反射镜的孔径应该大于平行光管物镜的孔径。自准直法有较高的精度，并且除了标准平面反射镜外，不需要其它标准设备，而在通常的孔径下，标准平面反射镜也是不难找到的，因此自准直法是平行光管调校中的重要方法。二、二、五棱镜法五棱镜法当平行光管的物镜孔径足够大时，自准直法就会遇到困难，这是因为大孔径的标准平面反射镜加工是很困难的，一般在实验室也是很难找到的。此时，五棱镜法就表现出其优越性
46、。1.1.调校原理和装置调校原理和装置五棱镜法利用的是五棱镜将入射光线转折 90 后出射的特性。如果平行光管的分划板处在物镜焦平面上，来自分划面上同一点的光透过物镜必然成为平行光束。此时，不管五棱镜处于何处，由五棱镜转折后的光都具有相同的方向，它们在前置镜分划板上交于同一点，形成平行光管分划板上某一点的像，该像在五棱镜从位置()移到位置()时不发生变动，如图 2.5(a)所示。图 2.5 用五棱镜和前置镜调校平行光管 图 2.5 用五棱镜和前置镜调校平行光管如果平行光管的分划板不在物镜的焦平面上，出射平行光管的光就会发散或会聚，此时，五棱镜从位置()移到位置()的过程中，像就会在前置镜物镜的像
47、平面上向右或向左移动。如图 2.5(b)所示，刻线像由右向左移，则表示出射的是发散光，分划板位于焦内，应将平行光管分划板向远离物镜方向移动;如图 2.5(c)所示，刻线像由左向右移，则表示出射的是会聚光，分划板位于焦外，应将平行光管分划板向物镜方向移动。经过几次调整后即可调焦到焦面位置，达到调校的目的。这种方法由于利用对准特性，因而也有较这种方法由于利用对准特性，因而也有较高的精度。在本质上，该方法就是消视差法，只不过是利用五棱镜的横向移动来代替眼的横向摆动。为了保证对准精度，在结构上应保证五棱镜在移动过程中不引起像的明显跳动，并且，为了瞄准的方便，前置镜应能在水平面内做摆动调整。2.2.调校
48、误差调校误差本方法虽然也属消视差法，但调焦误差的计算与前面介绍的公式并不完全相同。这是因为这里决定对准精度的工作孔径由前置镜物镜的全孔径来担任工作孔径。平行光管的调校误差是由于前置镜的对准误差引起的。五棱镜法的调校误差为式中:D C 为平行光管通光口径;D P 为五棱镜的有效口径;(D C-D P)为五棱镜的有效移动距离;为眼睛的对准误差(单位取分);为前置镜的放大率。由式(27)可知，增加 和减小 D P 皆可提高调校准确度，但这时衍射的影响增加，而且视场变暗，严重时准确度反而会降低。分析五棱镜法可以看到，其中用到的前置镜也存在着一个如何将其分划板置于物镜的焦平面上去的问题。因此，就方法而论
49、，五棱镜法并不能独立解决平行光管的调校问题。从这一角度看，自准直法就有其独立性，因而是一种基本的方法。2.2 2.2 自自 准准 直直 目目 镜镜在平行光管的调校中已经涉及到自准直法的概念，并已初步认识到在测量中使用自准直法的好处，下面进一步阐明自准直法在测量中的地位以及实现自准直法所必要的部件自准直目镜。我们知道，测量中很关键的一个步骤就是瞄准。但是一些被测量(例如球面的曲率半径、透镜的焦距等)，其端点不全是客观实体，而是一个定义的点(例如球心、焦点等)。这样的点本身不能发出光线，也无法反射光线，或者说不能自身提供可以代表它的信息，无法用通常的方法对它瞄准，而自准直法就为解决这一类问题提供了
50、方便。由此可了解自准直法在测量中的重要地位。例如要瞄准球心，可以令一束会聚光照在球面上，并使会聚光束的焦点与球心重合(瞄准)，此时，入射光线必然与球面垂直。假定球面是良好的反射面，那么每一条光线将按原路返回，形成发散的光束，它就像从球心发出的一样，于是我们就获得了代表该球心的信息。射向球面的会聚光，在观测仪器中可方便地通过照明分划板来实现。因为分划板被照明后，分划上的点所对应的光线，经仪器的物镜出射后就会给出会聚的球面波(在显微镜中或可调前置镜中)或平面波(在望远镜中)，于是，带照明装置的分划板和目镜就构成了自准直目镜。自准直目镜分别与显微镜物镜和望远镜物镜组合，就构成了自准直显微镜物镜和自准
