(光学测量技术)第5章光学系统特性参数的测量

第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量5.1望远系统特性参数的测量5.2显微系统特性参数的测量5.3照相物镜特性参数的测量本章小结思考题与习题第5章光学系统特性参数的测量光学系统的特性参数一般是指焦距、孔径、视场、放大率等，对目视光学系统还有视差、视度等参数。当然，不同的光学系统为适应各自的需要而选用不同的参数来表征它们的特性。本章重点介绍望远、显微和照相系统三类常用光学系统各自特性参数的测量原理及方法。其中有涉及焦距测量的，因与第4章中讲述的光学零件焦距的测量相同，这里不再重述。第5章光学系统特性参数的测量教学目的1.掌握望远镜视度、视差及视放大倍率的概念。熟悉利用普通视度筒检测望远镜的视度、用平行光管法检测望远镜的视差和用倍率计检测其视放大率的方法。2.掌握显微镜视放大率和物镜数值孔径的概念。熟悉利用直接测量法或间接测量法检测其视放大率和用小孔光阑法检测其物镜数值孔径的方法。3.掌握照相物镜相对孔径和有效光阑指数的概念。熟悉用焦面点光源法、平行光管法检测其相对孔径和用像面照度比较法检测其有效光阑指数。第5章光学系统特性参数的测量技能要求1.能够利用普通视度筒检测望远镜的视度;能够利用平行光管(带有视差公差带)批量检测望远镜的视差;能够利用倍率计检测其视放大倍率。2.能够利用测量显微物镜的横向放大率及目镜放大率的方法间接测量显微镜的视放大率;能够用小孔光阑测量显微镜物镜数值孔径。3.能够用焦面点光源法和平行光管法检测照相物镜的相对孔径;能够用像面照度比较法检测其有效光阑指数。第5章光学系统特性参数的测量5.1望远系统特性参数的测量望远系统的光学特性参数具有代表性的主要有视度、视差及视放大倍率。这里就这三个参数的测量加以讨论。第5章光学系统特性参数的测量5.1.1望远系统视度的测量一、望远系统视度的基本概念目视光学仪器是供人眼观测使用的。为了适应不同视度的观测者使用需要，对目视光学仪器要求其出射光束能够调节。光学仪器的这种调节能力称为视度调节。视度(SD)是指目视光学仪器出射光束的会聚或发散程度。视度可表示为第5章光学系统特性参数的测量式中，L为眼点至仪器出射光束的顶点的距离，单位为m。由此可知，若系统出射的是平行光束，则视度为零，适应正常眼的要求;若出射的是发散光束，如图5.1(a)所示，像点位于眼点之前，视度为负值，满足近视眼需要;当出射光束会聚时，如图5.1(b)所示，视度为正，满足远视眼需要。可见，视值的正负及大小清楚地描述了出射光束的结构特性。第5章光学系统特性参数的测量图5.1望远镜系统出射光束第5章光学系统特性参数的测量望远系统的视度调节通常是通过移动目镜的方法实现的。目镜的移动量即是其前焦点Fe相对物镜焦点F′0的移动距离Δ，其大小及符号决定了视度的大小与正负。无限远目标经物镜后成像在后焦面处。若目镜的前焦点Fe与物镜焦点F′0重合，则出射光束是平行光束;若目镜前移，如图5.2所示(Δ为正)，则物镜像经目镜成像在距目镜左方-L处，即出射光是发散光束;反之，若目镜后移(Δ为负)，则出射光束是会聚光束。第5章光学系统特性参数的测量图5.2目镜视度调节第5章光学系统特性参数的测量由牛顿公式有将L换算成视度，得第5章光学系统特性参数的测量对于无分划板的望远系统，也可以用移动物镜的方法来实现视度调节。物镜移动量Δ与望远系统视度间的关系同样由式(5－3)决定。视度检验是指目镜视度分划调节到某示值时，检测其视度装定误差是否在规定的公差范围内。对于固定视度的仪器，其视度装定在-0.5~-1屈光度。第5章光学系统特性参数的测量二、望远系统视度的测量方法1.普通视度筒检测检测视度的仪器为视度筒，它是一个物镜可沿轴向移动的低倍望远系统，其结构示意图如图5.3所示。图5.3普通视度筒结构示意图第5章光学系统特性参数的测量普通视度筒检测原理如图5.4所示。图5.4普通视度筒检测原理图第5章光学系统特性参数的测量若待测系统的视度为SD=1000/L，移动视度筒物镜，使经待测望远系统成的像再经视度筒物镜成在分划板上，这样人眼通过视度筒目镜可以同时清楚地看到物像和分划板。设视度筒物镜相对分划板移动距离为Δ，视度物镜至待测望远系统眼点的距离为l，则由牛顿公式可以得出若l可略去不计，上式可写成式中，f'0为视度筒物镜的焦距。第5章光学系统特性参数的测量根据式(5－4)可以刻制视度筒上的视度分划线。测量时，调节视度筒目镜视度直至分划面最清楚。将待测系统的视度分划对到所要检测的标记处，并将待测系统放在平行光管和视度筒中间，视度筒物镜大致放在待测系统的出瞳处，调三者大致共轴，再轴向移动视度物镜，直到平行光管分划像与视度筒的分划清晰无视差地轴向重合，此时视度筒的读数与标记之差即为待测系统视度的装定误差。第5章光学系统特性参数的测量视度测量误差主要取决于视度筒的调焦误差，即取决于视度筒的出瞳直径和放大倍率。而视度筒的入瞳等于待测系统的出瞳，故视度筒的放大倍率不宜过大。普通视度筒常选用4×或6×，其检测范围为±1.5~±2.5屈光度。第5章光学系统特性参数的测量2.大量程视度筒检测当被测系统视度调节范围较大，超出普通视度筒测量范围时，可用大量程视度筒测量，测量范围达到±6屈光度。大量程视度筒是在普通视度筒前加一个视度透镜(已知光焦度)，如图5.5所示。若视度透镜与待测系统的眼点O(或出瞳)重合，B是待测系统的像点，OB=L;B经视度透镜成像为B'，像距为L';B'再经视度筒物镜的分划面上成像为B″，设视度透镜的焦距为f's，则由高斯公式得第5章光学系统特性参数的测量图5.5大量程视度筒检测原理图第5章光学系统特性参数的测量用视度表示为SD=SD′–P(5－5)式中:SD′表示视度筒的视度读数;SD表示待测系统的视度值;P表示视度透镜的视度。可见，只要视度透镜的视度与待测系统的视度符号相反，即可抵消部分待测系统的视度，使余下部分由视度筒测出。第5章光学系统特性参数的测量例如:待测系统的视度分划标记为-4.5屈光度，可选“+4”屈光度的视度透镜，若视度筒的读数为-0.3屈光度，则SD=-0.3-4.0=-4.3(m-1)这几种方法测量视度的误差主要来源仍然是视度筒的调焦误差。第5章光学系统特性参数的测量5.1.2望远系统视差的测量一、望远系统视差的基本概念无穷远物体经望远镜系统的物镜成像在后焦面上，若系统装有分划板，则分划面应位于物镜后焦面上，如果由于安装误差，分划面没有准确地装在后焦平面位置，通过目镜观察时，物像和分划标记相对人眼不在同一深度的现象，就是望远镜系统的视差。视差分为前视差(或短视差)和后视差(或长视差)，分划面位在物镜焦平面和物镜之间为前视镜;分划面位在物镜焦平面之后为后视差。用有视差的系统进行测量和瞄准时会产生对准误差，望远系统视差通常有如下几种表示方法。第5章光学系统特性参数的测量1.视差角表示法望远系统的视差可用视差角来表示，是由视差而引起的物方极限瞄准误差角。以视差角表示的原理如图5.6所示。当系统存在视差时，物像O'将成在距分划面为b的位置处，相应的物像O'相对分划的上下错动量为AB，由此引起的物方视差角ε为第5章光学系统特性参数的测量图5.6以视差角表示视差的光路第5章光学系统特性参数的测量第5章光学系统特性参数的测量2.以视度差表示望远系统的视差还可用视度差来表示。视度差是指物像和分划在系统像方的视度之差，即以分划在系统的像方的视度SDk和物像的视度SD0之差表示:其视度差表示的原理如图5.7所示。当F'0和Fe重合时，分划面到F'0的距离为b，则目镜后像距为第5章光学系统特性参数的测量图5.7以视度差表示视差的光路第5章光学系统特性参数的测量因F′0和Fe重合，故物像的视度SD0=0，若F′0和Fe不重合，式(5－9)依然成立。视差角与视度差的关系是所以，与视差的表示法相对应，视差的测量方法有两种，即视差角检测法和视度差检测法。第5章光学系统特性参数的测量二、望远系统视差的测量方法1.平行光管法平行光管法也叫视差角检测法或摆头法，其检测装置由平行光管、待测系统支座和底座组成。该仪器适于批量检测，其检测原理如图5.8所示。在平行光管的分划板上刻有视差公差带。若系统存在视差，人眼沿待测系统的出瞳面摆动时，可发现平行光管的分划像与待测系统的分划像相对错动，离人眼远的分划像与人眼同向移动，近的则与人眼反向移动。只要两个像最大错动量不超过公差带，则认为合格。第5章光学系统特性参数的测量图5.8平行光管测量视差第5章光学系统特性参数的测量平行光管分划面的视差公差带的间隔为式中:ε为待测系统允许的视差角，单位为分;f‘c为平行光管物镜的焦距。测量时，先调待测系统，使之与平行光管的光轴重合，然后人眼沿出瞳面摆动，检测待测系统的分划像相对平行光管分划像间最大错动量是否超差。第5章光学系统特性参数的测量2.视度筒测量法视度筒测量法主要检测系统的视度差。由于望远镜系统的视差可用无穷远物点在系统像方的出射光束和中心分划在像方的出射光束的视度差表示，因此，利用前述测视度的方法测量二者的视度，求出其差值，即为视差。3.半透镜视差计测量法用视度筒测量视度、视差时，精度主要取决于视度筒的调焦误差，为了提高调焦精度，设计了半透镜视差计，它采用了双光楔定焦法，比视度筒采用的清晰度法定焦精度高，因此测量精度比视度筒高。第5章光学系统特性参数的测量5.1.3望远系统视放大率的测量一、望远系统视放大率的基本概念望远系统视放大率的定义为:同一目标用望远镜观察时物像对人眼的张角正切(tgω')与人眼直接观察时张角正切(tgω)之比，即式中:f'0为望远系统物镜的焦距;f'e为望远系统目镜的焦距;βz为转像系统的垂轴放大率;D为望远系统的入瞳直径;D'为望远系统的出瞳直径。第5章光学系统特性参数的测量由式(5－12)可知，欲测量望远系统的视放大率，可通过已知的入瞳直径测出瞳直径，或根据已知的物方视场角测像方视场角，也可通过测量焦距求得。第5章光学系统特性参数的测量二、望远系统视放大率的测量方法1.用倍率计测量倍率计是一个带有分划板的放大镜，其检测原理如图5.9所示。将已知直径为a的标准光阑套在待测望远系统的物镜框上。在待测系统的像方用倍率计测出该标准光阑的像尺寸a'，由式(5－12)得出望远系统视放大率为第5章光学系统特性参数的测量测量前要调目镜视度，使人眼可清晰地看到分划线;再移动内管，使分划面与待测系统的出瞳面重合，测得出瞳a′的大小。标准光阑直径在入瞳范围内应尽量选择大一些，标准光阑面要垂直于系统光轴，其中心位于光轴上。此外，对目镜视度可调的望远镜，检测时视度应归零。第5章光学系统特性参数的测量图5.9用倍率计测量望远系统视放大率第5章光学系统特性参数的测量2.用平行光管和前置镜测量如果测出被测系统的物方视场角ω和像方视场角ω′，则利用Γ=tgω′/tgω可求出放大率。检测光路如图5.10所示，若平行光管的分划间隔为l，物镜焦距为f′c，则平行光管的视场角2ω可由tgω=l/f'c求得。2ω即为被测望远系统的物方视场角，经被测系统后，放大为2ω'，再用前置镜测出ω'值，则被测系统的视放大率Γ=tgω'/tgω。第5章光学系统特性参数的测量图5.10用前置镜检测望远镜的放大率第5章光学系统特性参数的测量检测时，先将被测系统视度归零，并置于平行光管与前置镜之间，调节三者共轴。由前置镜读得ω′，即可求得被测系统的视放大率。在对望远镜放大率进行批量检测时，前置镜的分划板可以刻成公差带，如图5.11所示。其上下偏差距离lmax、lmin可分别按下式计算第5章光学系统特性参数的测量式中:f′T为前置镜物镜焦距;Γmax、Γmin分别为被测系统允许的最大、最小视放大倍率。检测时，使平行光管的一刻线像与前置镜分划板上的单线重合，如果平行光管的另一刻线像位于前置镜分划板双线间则为合格，否则超差。另外，望远镜的视放大率还可用视场仪和经纬仪测量。视场仪提供被测望远系统的像方视场角，由经纬仪测得相应的物方视场角，即可求视放大率。第5章光学系统特性参数的测量图5