§12目视光学仪器的对准误差和调焦误差

§1.2目视光学仪器的对准误差和调焦误差1长春理工大学光电工程学院牟达基本光学测量技术光学测量基础光学零部件的基本量测量光学系统特性参数检测光学系统像质检验与评价测量误差数据处理光学测量中的对准与调焦光学测量装置的基本部件面形偏差检测双折射测量自准直法测量平面光学零件不平行度放大率检测光电对准光电定焦光学玻璃主要光学性能测量折射率测量V棱镜法最小偏向角法全波片法1/4波片法全反射临界角法焦距测量曲率半径测量斐索干涉测量机械法样板法刀口阴影法自准直球径仪法自准直望远镜法精密测角法放大率法附加透镜法附加接筒法显微系统望远系统数值孔径检测视度检测视差检测视放大率检测分辨率检测星点检验哈特曼法检测几何像差光学传递函数测量光度量、光学系统杂光与透射比检测杂光检测透射比测量服务于所有光学性能和像质检测自准直目镜积分球平行光管2长春理工大学光电工程学院牟达主要内容一、与光学测量有关的人眼特性二、人眼的对准误差和调焦误差三、人眼通过光学系统观测时的对准误差四、人眼通过光学系统观测时的调焦误差3长春理工大学光电工程学院牟达1、人眼的构造2、人眼的调节功能3、人眼的视觉特性4、人眼的视场角5、人眼的分辨率6、双眼的立体视觉一、与光学测量有关的人眼特性4长春理工大学光电工程学院牟达1、人眼的构造5人眼——照相机瞳孔——光阑晶状体——镜头网膜——底片1、人眼的构造照相机中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像，为什么？6长春理工大学光电工程学院牟达2、人眼的调节功能视度调节如果要看清物体，人眼就要自动地调节眼睛的焦距，使像落在网膜上，眼睛自动改变焦距的这个过程称为眼睛的视度调节。为了表示人眼调节的程度，引入了视度的概念。与网膜共轭的物面到眼睛距离的倒数称为视度，用SD（屈光度）表示：(m-1)距离l以米为单位，且有正有负。一般人阅读或操作时常把被观察目标放在250mm处，此距离称为明视距离。lSD1=7长春理工大学光电工程学院牟达2、人眼的调节功能瞳孔调节眼睛可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼睛的进光量。一般人眼在白天光线较强时，瞳孔缩到2mm左右，夜晚光线较暗可以放大到8mm左右。设计目视光学仪器时要考虑和人眼瞳孔的配合。8长春理工大学光电工程学院牟达3、人眼的阈值对比度通常，人眼的视觉探测是在一定背景中把目标鉴别出来。此时，人眼的视觉敏锐程度与背景的亮度以及目标在背景中的衬度有关。目标的衬度以对比度C来表示，即式中，Lt和Lb分别为目标和背景的亮度。有时也将C的倒数称为反衬灵敏度。bbtLLLC−=9长春理工大学光电工程学院牟达4、人眼的光谱灵敏度在较明亮的环境中，对波长0.555μm的光最敏感在很亮的环境中，对波长0.570μm的光最敏感在较暗的条件下，对波长0.512μm的光最敏感10长春理工大学光电工程学院牟达5、人眼的视场角人眼的有效视场角可分为凝视视场和搜索视场凝视视场：指眼球不转动的情况，6°~8°搜索视场：指眼球转动的情况，以视轴为准：（称通过眼睛节点和中心凹的直线为眼睛的视轴）在水平面内，往太阳穴方向视场角可达95°；在水平面内，往鼻子方向视场角可达65°；在铅垂面内，视场角向上为60°；在铅垂面内，视场角向下为72°；11长春理工大学光电工程学院牟达6、人眼的极限分辨角人眼能分辨两个邻近点的能力称为人眼的分辨率。刚能分辨开的两个点对眼睛物方节点的张角称为眼睛的极限分辨角。显然，分辨率与极限分辨角成反比。如果这两点的像分别落在被分隔开的两个视网膜细胞上，即得到两个点的视觉由此可见，眼睛的分辨率与视网膜上两像点距离及视觉细胞的直径大小有关。当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。12长春理工大学光电工程学院牟达6、人眼的极限分辨角所以人眼的极限分辨角可表示为：εηtg'x'j⋅=fxj='0.0062062657017.1ε−′′′′=×≈−ε—眼睛的极限分辨角(rad)；η′—视觉细胞的直径，约为0.006mm；xj′—像方节点到视网膜的距离应为而当眼睛处于放松状态时，f=-17.1mm。上式可得：13长春理工大学光电工程学院牟达6、人眼的极限分辨角当在白天瞳孔直径为2mm时，极限分辨角约为70″。若瞳孔直径继续增大，则由于眼睛像差的影响，分辨角反而增大。所以一般认为眼睛的极限分辨角为1′。参考公式：eD13.0618.01−=αα=50~120″；在良好的照明条件下，一般认为α=60″=1′认为人眼的极限分辨角为1′。在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。14长春理工大学光电工程学院牟达7、双眼的立体视觉①体视效应体视效应是双眼所特有特性，单眼没有体视效应。正常情况下人们总是用双眼观察一个物体，双眼视觉能提高视力锐度，同时也将产生空间深度感觉。两眼瞳间的距离称为眼基线，一般为62～65mm，正是由于基线的存在，离观察者不同远近的物体在两眼网膜上成像的相对位置不同（视差角不同），从而产生体视效应。157、双眼的立体视觉②体视锐度θA，θB为视差角，即物体对双眼的张角。眼睛能分辨两个物体有远近差别时，所对应的视差角之差Δθ，称为体视锐度。一般为30″～60″，经过训练可达10″。21,LbLbBA==θθBAθθθ−=∆16长春理工大学光电工程学院牟达7、双眼的立体视觉③体视半径人眼能够分辨远近的最大距离为体视半径。在体视半径以外的物体，人眼已分辨不出远近。由成年人的双眼基线平均长度62mm，当Δθ=10″时，通过可导出体视半径约为1200m。θ∆=bLm17长春理工大学光电工程学院牟达7、双眼的立体视觉④体视阈值能分辨出不同远近的两点间的最小距离ΔL0，称为体视阈值，对视差角公式微分得，当Δθ=10″，b=0.062m时，可得ΔL0=8×10-4m。θ∆=∆bLL2018长春理工大学光电工程学院牟达7、双眼的立体视觉⑤单眼立体视觉与双眼立体视觉的区别根据眼睛调节的程度（即眼肌肉收缩的紧张程度）也能判定物体的远近。但是范围不大于5米，因为看更远的物体时，水晶体的曲率已几乎不变。当物体的高度已知时，根据它所对应的视角大小来判断它的远近。视角大则近，视角小则远；根据物体之间的遮蔽关系和日光的阴影也能判断物体之间的相对位置。19长春理工大学光电工程学院牟达人眼光学特性的总结视场角特别大；可以自动改变焦距；能够自行调节瞳孔大小，2~8mm；相对孔径可能大于1/2；像面是曲面；视轴（通过眼睛节点和中心凹的直线为眼睛的视轴）方向可自由转动；在一般的环境中，对波长0.555μm的光最敏感；人眼瞳孔直径De=2mm，正常照度下，白光照明，人眼的极限分辨角为1′~2′20长春理工大学光电工程学院牟达1、对准2、人眼的对准误差3、人眼通过望远系统的对准误差4、人眼通过显微系统的对准误差5、对准误差和分辨率的关系二、对准21对准又称横向对准，是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。对准以后，目标与标志在垂轴方向残留的偏离量称为对准误差。1、对准22经常需要将一条直线重合到另一条直线，但是，要使两条直线完全重合是不可能的眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，但也有一定的限度。1、对准即两线宽的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值α时，虽然还存在着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的。23长春理工大学光电工程学院牟达2、人眼的对准误差对准的目的主要是以垂直于瞄准轴的方向上目标（像）和比较标记之间没有距离就可以了。目标与标志在垂轴方向上还会有残留的偏离量，这个偏离量就称为对准误差。眼睛的对准误差是以偏离量对眼瞳中心的夹角表示。眼睛的对准误差与对准方式有关。24长春理工大学光电工程学院牟达2、人眼的对准误差压线对准极限误差：60″～120″25长春理工大学光电工程学院牟达2、人眼的对准误差aa26游标对准极限误差：15″长春理工大学光电工程学院牟达2、人眼的对准误差夹线对准极限误差：10″27长春理工大学光电工程学院牟达2、人眼的对准误差叉线对准极限误差：10″28长春理工大学光电工程学院牟达3、人眼通过望远系统的对准误差望远系统工作原理一个望远系统应由物镜和目镜两组构成，物镜的像方焦平面应与目镜的物方焦平面重合，且物镜焦距在数值上应大于目镜焦距。这样，就把无限远的目标成像到无限远，并扩大了视角。29长春理工大学光电工程学院牟达3、人眼通过望远系统的对准误差望远系统工作原理望远镜的放大倍率为：目目物物目物fytgfytgfftgtg′=′′′−=′′−=′=Γωωωω,30长春理工大学光电工程学院牟达3、人眼通过望远系统的对准误差望远镜的对准误差:γ——人眼通过望远镜观察时的对准误差；δ——人眼对准误差；Г——望远镜放大率。Γ=⇒′=′δγγδoeff31长春理工大学光电工程学院牟达4、人眼通过显微系统的对准误差显微系统的工作原理一个显微系统由物镜和目镜两组构成，物体y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y′，再经过目镜成像在无限远。32长春理工大学光电工程学院牟达4、人眼通过显微系统的对准误差显微系统的工作原理显微镜的总放大倍率为物镜的垂轴放大率和目镜的视放大率的乘积。目物Γ⋅=Γβ33长春理工大学光电工程学院牟达δ为人眼的对准误差，在明视距离250mm处，与人眼对准误差相应的横向距离为：)(0012.0)(073.0)(250000mmymmymmyδδδ=∆=∆=∆δ单位为radδ单位为分1rad=3438′δ单位为秒1rad=206265″4、人眼通过显微系统的对准误差34长春理工大学光电工程学院牟达人眼通过总视放大倍率为Г的显微镜观察的对准误差为：)(0mmyyΓ∆=∆4、人眼通过显微系统的对准误差0y∆35长春理工大学光电工程学院牟达例题：例1：V棱镜折射仪的望远镜放大率，入瞳直径D=12mm，对准方式是夹线对准，其对准误差为δ=10″，则该望远镜的对准误差为多少哪？例2：V棱镜折射仪中读数显微镜视放大率，采用双夹线对准，对准误差为δ=10″,则显微镜的对准误差为多少哪？例3:经纬仪度盘刻划圆直径D=270mm，采用游标对准方式，，要求对准误差代入其测角误差部分不大于，求读数显微镜放大倍率的下限值。×=Γ6×=Γ585152.0′′=′=δ1.0′′=θ36长春理工大学光电工程学院牟达5、对准误差与分辨率的关系对准：目标和分划线的重合或置中的问题分辨：分辨两个靠近标记的问题对准只有一个目标经物镜成像因此受衍射影响比较小，同时对准是目标和分划线的重合或置中所以对应误差小于理论分辨率值。37长春理工大学光电工程学院牟达5、对准误差与分辨率的关系望远镜的理论分辨率与对准误差的关系：望远镜的理论分辨率：(道斯判据)(瑞利判据)显微镜的理论分辨率与对准误差的关系：显微镜的理论分辨率：(道斯判据)(瑞利判据)对极限误差建议用1/6，标准偏差才用1/10。αγ)61~101(min=ε)61~101(min=∆yDD01202.1′′==λαNAλε61.0=DD01422.1′′==λαNAλε52.0=mµλ555.0=38长春理工大学光电工程学院牟达作业：1.焦距仪上的测微目镜(f′＝17mm，用叉丝对准)，测得某一象高y′＝2.250mm，问由对准误差引起的像高的相对测量标准偏差σy′/y′为多少？2.经纬仪水平度盘刻度圆直径D＝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″。求显微镜放大率Γm为多少？物镜的数值孔径NA至少应多大(波长λ取0.56μm)？3.欲使望远镜瞄准误差不大于1″(以夹线方式对准)，已知目镜放大率Γe＝12.5×，问该望远镜的物镜焦距f′0与通光孔径D至少应多大？39长春理工大学光电工程学院牟达1、调焦2、（1）人眼的调焦误差（清晰度法）（2）人眼的调焦误差（消视差法）3、（1）人眼通过望远系统调焦误差（清晰度法）（2）人眼通过显微系统调焦误差（清晰度法）4、（1）人眼通过望远系统调焦误差（消视差法）（3）人眼通过显微系统调焦误差（消视差法）5、提