光学测量基础及目视光学仪器

第一章光学测量基础第二节目视光学仪器的对准误差和调焦误差光学测量1.眼睛的瞳孔De2.视场2W3.眼睛的调节能力4.眼睛的光谱灵敏度大照度0.570μ中照度0.555μ小照度0.512μ5.眼睛对衬度的灵敏度

ΔB/BΔB目标与背景亮度差,B背景亮度在正常情况下为1.7%≈2%6.眼睛的分辨率第二节目视光学仪器的对准误差和调焦误差一、与光学测量有关得人眼特性第二节目视光学仪器的对准误差和调焦误差第二节目视光学仪器的对准误差和调焦误差人眼是非常精密的成像光学系统，（动物眼睛？）但并非理想系统，也存在像差，以及缺陷眼睛的结构——成像光学系统人眼本身相当于摄影光学系统，在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看作成像元。

第二节目视光学仪器的对准误差和调焦误差人眼的构造剖视图巩膜1巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；角膜2角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；有感觉神经，无血管眼睛内的折射主要发生在角膜上（三分之二的屈光度）；脉络膜3脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；人眼的构造剖视图巩膜角膜脉络膜虹膜4虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；（不同的人种和物种有不同的颜色）瞳孔5瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直径

在2--8mm范围内变化；它是人眼的孔径光阑。（瞳孔可以不是圆的，猫眼）人眼的构造剖视图巩膜角膜细胞（视锥/杆细胞），锥状细胞直径约5微米，长35微米；杆状细胞直径2微米脉络膜，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹处虹膜瞳孔网膜6视网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，由中心向外，逐渐相对变化；黄斑中心凹人眼的构造剖视图巩膜角膜

光脉络膜8盲斑（点）是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜瞳孔网膜7黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。视神经细胞黄斑中心凹神经纤维盲斑大脑盲斑晶状体人眼的构造剖视图巩膜角膜率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高脉络膜成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌虹膜瞳孔网膜似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射

能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时。白内障，严重时致盲！！黄斑中心凹盲斑晶状体9晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，人眼的构构造剖视视图巩膜角膜角膜和晶晶状体之之间的空空间称为为前室；充满1.336的水水状液；；房水脉络膜晶状体和和网膜所所包围的的空间称称为后室;充满1.336的玻玻状体；；叫玻璃体体，具有有支撑，，减震，，代谢作作用。玻璃体混混浊（飞飞蚊症））虹膜瞳孔网膜黄斑中心心凹盲斑晶状体前室后室人眼的构构造剖视视图巩膜角膜脉络膜眼睛的像像方节点点与中心心凹的连连线为眼眼睛的视轴,在在观察物物虹膜瞳孔网膜体时眼睛睛本能地地把物体体瞄准在在这根轴轴上。黄斑中心心凹盲斑晶状体前室后室1.3761.3361.336光轴视轴从光学角角度看，，最主要要的是：：水晶体、、和瞳孔孔和视网网膜。人眼瞳孔孔水水晶晶体视视网膜膜眼睛和照照相机很很相似，，如果对对应起来来看：↕↕↕↕↕照相机光光阑镜镜头头底底片片照相机中中，正立立的人在在底片上上成倒像像，人眼眼也是成成倒像但我们感感觉为什什么还是是正立的的？这是视神神经系统统内部作作用的结结果，相相当复杂杂，相当当奇妙！！为了方便便，人们们定义了了标准眼模型和简约眼模型眼睛的调调节眼睛有两两类调节节功能：：视度调节节和瞳孔调节节。1．视度度调节远近不同同的其他他物体，，物距不不同，则则不会成成像在视视网膜上上，这样样我们就就看不清清。要想看清清其他的的物体，，人眼就就要自动动地调节节眼睛中中晶状体体的焦距距，使像像落在视视网膜上上。眼睛自动动改变焦焦距的过过程称为为眼睛的调调节。正常人眼眼在完全全放松的的自然状状态下，，无限远目目标成像像在视网网膜上，，即眼睛的像像方焦点点在视网网膜上。。在观察近近距离物物体时，，人眼水水晶体周周围肌肉肉收缩，，使水晶晶体前表表面半径径变小（（后表面基基本不变变）眼睛光学学系统的的焦距变变短，后焦点前前移，从而使该该物体的的像成在在视网膜膜上。当肌肉完完全放松松时（通通过调节节），眼眼睛所能能看清的的最远的点点称为远点，其相应应的距离离称为远点距，以r表示（米米），正正常眼，，r无限限远当肌肉在在最紧张张时（通通过调节节），眼眼睛所能能看清的的最近的点称为近点，其相应应的距离离称为近点距，以p表示明视距是是指正常常的眼睛睛在正常常照明（（约50勒克斯斯）下最方便和和最习惯惯的工作作距离，约250mm。它不同于于人眼的的近点距距，两者者不能混混淆人眼的调节能力力是用远点点距r的倒数和和近点距距p的倒数之之差来描描述，用用A来表示，，即A称为眼睛睛的调节范围围或调节能力力。近点和远远点间l处，总能能清晰地地成像在在视网膜膜上。单位为米米，则其其倒数称为视度，单位为为屈光度近点距倒倒数称称为近点视度度。在医院和和眼镜店店通常把把1屈光度度称为100度度。人眼的调调节能力力随年龄龄的增加加而变化化。随着年龄龄的增大大，近点点位置往往远移，，远点位位置往近近移，因因而调节节范围减减少。远点距倒倒数称称为远点视度度，正常眼在在肌肉完完全放松松的自然然状态下下，能够够看清楚楚无限远远处的物物体，即即远点应应在无限限远（R=0）），像像方焦点点正好和和视网膜膜重合F'若不符合合这一条条件就是是非正正常眼，，或称视力不正正常最常见的的有近视视眼和远远视眼所谓近视眼就是其远远点在眼眼睛前方方有限距离处（（r<0））这是由于于眼球太太长，像像方焦点点位于视视网膜的的前面所所致。因因此，只只有眼前前有限距距离处的的物体才才能成像像在视网网膜上。。对应着负视度，配上适适当的负负光焦度度眼镜后后，即可可使无限限远物体体成像于于眼睛的的远点上上，然后后再经眼眼睛成像像于网膜膜上，因而眼镜镜矫正了了眼睛的的缺陷。。近视度数数：眼睛睛远点的的视度*100近视200，500度度：远点点在0.5，0.2米米处，需要配戴戴眼镜的的焦距为为-500mm，-200mm所谓远视眼就是其远远点在眼眼睛之后后（r>0）），这是由于于眼球偏偏短，像像方焦点点位于视视网膜的的之后所所致。因因此，射射入眼睛睛的光束束只有是是会聚时时，才能能正好聚聚焦在视视网膜上上。对应着正正视度，，需以正透镜来使其远远点恢复复到无限限远瞳孔调节节（适应应特性））人眼还能能在不同同亮暗程程度的条条件下工工作。这就是人人眼的另另一个特特性，具有对对周围空空间光亮亮情况适适应的过过程称为为适应（即为瞳孔的调调节）。眼睛的虹虹膜可以以自动改改变瞳孔孔的大小小，以控控制眼睛睛的进光光亮（2mm~8mm)。在在设计目目视光学学仪器时时要充分分考虑与与眼瞳的的配合。。适应是一一种当周周围照明明条件发发生变化化是眼睛睛所产生生的变态态过程，，可分为为对暗适应应和对光适应应两种，前者发生生在光亮亮处到黑黑暗处的的时候，，后者发生生在自黑黑暗处到到光亮处处的时候候。三、眼睛睛的分辨辨率（分分辨本领领）所谓人眼的分分辨能力力指的是成成像在中中央凹区区时的分分辨能力力。眼睛能分分辨出两两个非常常近的点点的能力力称为眼眼睛的分分辨率（（分辨本本领）人眼的分分辨率一一般用极限分辨辨角来表示。。人眼的分分辨率是是眼睛的的重要光光学特性性，同时时也是目目视光学学仪器设设计的重重要依据据之一。。用其它观观测设备备（如照照相机、、CCD等）替替代人眼眼时也可可据此作作为参考考。人眼刚能能将两点点分开的的视角称为眼睛睛的极限限分辨角角人眼分辨辨率与极限分辨辨角成反比关系受什么因因素影响响？分辨辨本领多多高？瞳孔的衍衍射极限限、感光光细胞的的大小，，眼镜的的像差首先从人人眼的视视网膜结结构上来来分析：：眼睛在看看物空间间两点时时，这两两点对眼眼睛物方节点点的张角成成为两点点间的角距离或称为视角如果这两两点的像像分别落落在被分分隔开的的两个视视网膜细细胞上，，即得到到两个点的的视觉由此可见见，眼睛睛的分辨辨率与视视网膜上上两像点点距离及视觉细细胞的直径大小有关关当两像点点的间距距大于（（或等于于）视觉觉细胞的的直径时时，就认认为眼睛睛可以分分辨。人眼的极极限分辨辨角可表示为为（rad）所以人眼眼的极限限分辨角角可表示示为（rad）ε—眼睛睛的极限限分辨角角(rad)；η′—视觉觉细胞的的直径，，约为0.006mm；xj′—像方方节点到到视网膜膜的距离离应为而当眼睛睛处于放放松状态态时，f=-17.1mm。。上式可可得：（秒）可以看出出，极限限分辨角角不仅与与入射光光线的波波长有关关，而且且还与眼眼睛的瞳瞳孔直径径有关。ε=50~120”；在良好的照照明条件件下，一般般认为ε=60”=1’认为人眼的极极限分辨辨角为1´。在设计光光学系统统时就必必须考虑虑眼睛的的分辨率率。瞳孔衍射射的极限限分辨角角度：视力、视视力表、、验光仪仪ABD1Bb2a2b1a1BD2(1)体体视视效应(2)体体视视锐度眼睛在观观察物体体时，除除了一般般的物体体特征外外，还能能够产生生远近的的感觉，，被称为为“空间深度度感觉”单眼或双双眼都能能产生这这种感觉觉单眼深度度感觉来来源：1）物体体高度已已知，它它所对应应的视角角大小来来判断其其远近2）物体体之间的的遮蔽关关系和阳阳光的阴阴影来判判断它们们相对位位置3）对物物体细节节的鉴别别程度和和空气的的透明度度所产生生的深度度感觉4）眼睛睛的调节节程度来来判断物物体的远远近。立体视觉觉双眼观察察的深度度感觉除除上述因因素外：：5）物体体的距离离越近，，视轴之之间的夹夹角越大大，这种种感觉使使眼球发发生转动动的肌肉肉紧张程程度就不不同，据据此就能能判断物物体的远远近；6）双眼眼立体视视觉（简简称体视视）α称为“视差角”BAαBαAa2b2a1b1Aαa1a2其极限值值称为“体视锐度度”当A、B两点距距离不等等时，或或产生了远远近的感感觉被称为双双眼立体体视觉ABαAαBb2a2a1b1lbABαAαBb2a2a1b1约为10”，有可能能达到5”或3”当物点对对应的视视角差α等于时时，人人眼刚能能分辨出出它和无无限远物物点之间间的距离离差别即反映了了人眼可可能分辨辨出物点点远近的的最大距距离人眼瞳孔孔之间的的平均距距离为b=62mm，Lmax称称为立体视觉觉半径视力锐度度、视力力表眼镜能分分辨两物物点的最最小距离离的能力力，视角角来衡量量。通常以1分视角角的标志志为基本本标志，，例如ESnellen视力力表，对对数视力力表视力的表表示方法法：小数法，，分数法法，5分分纪录法法经常需要要将一条条直线重重合到另另一条直直线，但但是，要使两条条直线完完全重合合是不可可能的眼睛虽具具有发现现一个平平面上两两根平行行直线的的不重合合能力，，但也有有一定的的限度这个不重重合限度度的极限限值称为人眼的对对准精度度。人眼的瞄瞄准精度度一般用用角度值来表示对准精度度即两线宽的的几何中心心线对人眼的的张角小于某一一角度值值α时，虽然然还存在着不重合合，但眼眼睛已经经认为是是完全重重合的，，这时α角度值即即为人眼瞄准准精度。人眼对于于线条的变变形或两条线错错开造成的外外形变化化或比较两条条线宽的的变化具有很高高的灵敏敏度。人眼通过过两物的的比较发发现它们们外形变变化的能能力比分辨它们要强强得多。。形成对眼眼睛瞄准准有利的的条件。。瞄准精度度和分辨率是两个概概念。又有一定定的联系系，经验验证明，，人眼的最最高瞄准准精度约约为分辨辨率的1/6至至1/10。1、两实实线瞄准准±60"2、、两两实实线线端端部部瞄瞄准准±10~20"3、、双双线线平平分分或或对对称称瞄瞄准准±5~10"4、、虚虚线线压压测测件件轮轮廓廓边边缘缘±20~30"8.眼眼睛睛的的横横向向对对准准误误差差眼睛睛的的对对准准误误差差与与对对准准方方式式有有关关压线

游标

夹线对准叉丝对准狭缝夹线叉丝对准对准准与与调调焦焦的的概概念念对准准：：垂直直于于瞄瞄准准轴轴方方向向上上目目标标比比较较标标记记重重合合或或置置中中的的过过程程调焦焦：：目标标和和比比较较标标记记在在沿沿瞄瞄准准轴轴方方向向上上重重合合或或置置中中的的过过程程2.对对准准误误差差1））、、用用望望远远镜镜观观察察2））、、用用显显微微镜镜观观察察在明明视视距距离离，，人人眼眼直直接接观观察察对对准准误误差差通过过显显微微镜镜观观察察二眼眼睛睛通通过过光光学学系系统统观观测测时时对对准准误误差差和和调调焦焦误差差3.对对准准误误差差与与鉴鉴别别率率的的关关系系对准准：：目标标和和分分划划线线的的重重合合和和置置中中的的问问题题分辨辨：：分辨辨两两个个靠靠近近标标记记的的能能力力（1））望望远远镜镜的的理理论论分分辨辨率率（2））显显微微镜镜的的理理论论分分辨辨率率4、、调调焦焦误误差差A.望望远远镜镜观观察察1)、、清清晰晰度度法法aDb.物物理理景景深深(视视觉觉深深度度)RhR眼睛睛处处于于放放松松状状态态可可同同时时看看清清5米米至至无无限限远远的的物物体体A.望望远远镜镜观观察察2)、、消消视视差差法法B.显显微微镜镜观观察察1））清清晰晰度度法法

总的的调调焦焦误误差差2））消消视视差差法法5提提高高定定焦焦精精度度的的方方法法(1)将纵纵向向调调焦焦变变成成横横向向对对准准（半半透透镜镜视视角角筒筒））(2)利用用人人眼眼衬衬度度灵灵敏敏度度，，采采用用等等亮亮度度定定焦焦（双双星星点点法法））(3)利用用人人眼眼体体视视锐锐度度（10″″））将单单目目观观察察变变成成双双目目观观察察（立立体体视视差差仪仪））(4)光光电电对对准准消除除人人眼眼主主观观误误差差使使对对准准自自动动化化2.光光电电对对准准光电电探探测测不不仅仅可可以以代代替替眼眼睛睛进进行行对对准准、、定定焦焦和和读读数数；；还还可可以以大大大大提提高高对对准准、、定定焦焦准准确确度度；；实实现现测测量量的的自自动动化化，，提提高高工工作作效效率率，，而而且且是是实实现现计计算算机机实实时时控控制制和和处处理理的的前前提提。。目前前，，光光电电对对准准装装置置可可分分为为光光电电显显微微镜镜和和光光电电望望远远镜镜两两大大类类，，两两类类仪仪器器对对准准标标准准不不确确定定度度分分别别达达到到0.01μμm~0.02μμm和和0.05″″~0.1″″光电电对对准准分分类类：：光度式：普普通光度式式、差动光光度式相位式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光电对准定焦实质上上是确定物物镜的最佳佳像面的位位置。事实上，确确定最佳像像面的标准准有多种，，如最高对比度度像面最高分辨率率像面最小波像差差像面最小弥散圆圆像面最大调制传传递函数像像面点像光斑中中心照度最最大值像面面等。对于一个有有剩余像差差和加工误误差的实际际物镜来说说，通常这这些像面并并不重合。。实验确定定最佳像面面时，像面面位置还与与照明光源源的光谱成成分和接收收器的光谱谱灵敏度有有关。光电定焦光电定焦的的方法有多多种，如扇形光栅法法小孔光阑法法刀口检验法法MTF法等。这里以扇形形光栅法为为例介绍光光电定焦方方法。该方方法已广泛泛用于测量量照相物镜镜的工作距距离（从最最佳像面到到物镜框端端的距离））。同时，，还能测量量和研究其其它光学特特性，如弥弥散斑直径径、OTF、焦距等。。光电定焦M扇形光栅法定焦系统a）b）c）用扇形光栅栅确定像面面0amaxa0-0.200.2afφ50a（%）100Δd′Rdd’光电定焦9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。03:52:2403:52:2403:5212/29/20223:52:24AM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2203:52:2403:52Dec-2229-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。03:52:2403:52:2403:52Thursday,December29,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2203:52:2403:52:24December29,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。29十十二二月20223:52:24上上午03:52:2412月月-2215、比不不了得得就不不比，，得不不到的的就不不要。。。。十二月月223:52上上午午12月月-2203:52December29,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/293:52:2403:52:2429December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。3:52:24上午午3:52上午午03:52:2412月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。03:52:2403:52:2403:5212/29/20223:52:24AM11、成成功功就就是是日日复复一一日日那那一一点点点点小小小小努努力力的的积积累累。。。。12月月-2203:52:2403:52Dec-2229-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。03:52:2403:52:2403:52Thursday,December29,202213、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。12月-2212月-2203:52:2403:52:24December29,202214、意志坚坚强的人人能把世世界放在在手中像像泥块一一样任意意揉捏。。29十十二月20223:52:24上午午03:52:2412月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九