光学测量基础目视光学仪器的对准误差和调焦误差光学课件

第一章第一章 光学测量基础光学测量基础第二节第二节 目视光学仪器的对准误差和调焦误差目视光学仪器的对准误差和调焦误差光学测量光学测量第一章 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11.眼睛的瞳孔De 2.视场2W 3.眼睛的调节能力 4.眼睛的光谱灵敏度 大照度 0.570 中照度 0.555 小照度 0.5125.眼睛对衬度的灵敏度 B/B B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第二节 目视光学仪器的对准误差和调焦误差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21.眼睛的瞳孔De 第二节 目视光学仪器的对准误差和调焦误第二节第二节 目视光学仪器的对准误差和调焦误差目视光学仪器的对准误差和调焦误差3第二节 目视光学仪器的对准误差和调焦误差3第二节第二节 目视光学仪器的对准误差和调焦误差目视光学仪器的对准误差和调焦误差4第二节 目视光学仪器的对准误差和调焦误差4 人眼是非常精密的成像光学系统，（动物眼睛？）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，以及缺陷但并非理想系统，也存在像差，以及缺陷眼睛的结构眼睛的结构成像光学系统成像光学系统 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。物构造均可以看作成像元。第二节第二节 目视光学仪器的对准误差和调焦误差目视光学仪器的对准误差和调焦误差5 人眼是非常精密的成像光学系统，（动物眼睛？）眼睛的结人眼的构造剖视图巩膜巩膜1 1 巩膜巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；角膜角膜2 2 角膜角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；有感觉神经，无血管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眼睛内的折射主要发生在角膜角膜上（三分之二的屈光度）；上（三分之二的屈光度）；脉络膜脉络膜3 3 脉络膜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；是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；6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、不透人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜4 4 虹膜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）种和物种有不同的颜色）瞳孔瞳孔5 5 瞳孔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 在在2-8mm2-8mm范围内变化；范围内变化；它是人眼的它是人眼的孔径光阑孔径光阑。（瞳孔可以不是圆的，猫眼）（瞳孔可以不是圆的，猫眼）7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人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜细胞（视锥细胞（视锥/杆细胞），锥状细胞直径约杆细胞），锥状细胞直径约5微米，长微米，长35微米；微米；杆状细胞直径杆状细胞直径2 2微米微米脉络膜脉络膜，长约，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹黄斑中心凹处处虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜6 6 视网膜视网膜是是眼球的第三层膜，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；由中心向外，逐渐相对变化；黄斑中心凹黄斑中心凹8人眼的构造剖视图巩膜角膜细胞（视锥/杆细胞），锥状细胞直径约人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 光脉络膜脉络膜8 盲斑（点）盲斑（点）是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜7 黄斑黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。视神经细胞黄斑中心凹黄斑中心凹神经纤维盲斑大脑盲斑盲斑晶状体晶状体9人眼的构造剖视图巩膜角膜 光脉络膜8 盲斑（点）是网膜上没有人眼的构造剖视图巩膜巩膜角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，有利于提高脉络膜脉络膜 成像质量。晶状体的平均折射率为成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌，其周围是毛状肌虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜似双凸透镜，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。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，严白内障，严重时致盲！重时致盲！黄斑中心凹黄斑中心凹盲斑盲斑晶状体晶状体9 晶状体晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，10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人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜角膜和晶状体之间的空间称为角膜和晶状体之间的空间称为前室前室；充满；充满1.336的水状液；房水的水状液；房水脉络膜脉络膜 晶状体和网膜所包围的空间称为晶状体和网膜所包围的空间称为后室后室;充满充满1.336的玻状体；的玻状体；叫玻璃体，具有支撑，减震，代谢作用。叫玻璃体，具有支撑，减震，代谢作用。玻璃体混浊（飞蚊症）玻璃体混浊（飞蚊症）虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜 黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室11人眼的构造剖视图巩膜角膜角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 脉络膜脉络膜眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴视轴,在观察物在观察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室1.3761.3361.336光轴光轴视轴视轴12人眼的构造剖视图巩膜角膜 脉络膜眼睛的像方节点与中心凹的连线 从光学角度看，最主要的是：水晶体、和瞳孔和视网膜。人眼瞳孔 水晶体 视网膜眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：照相机光阑 镜头 底片照相机中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像照相机中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像但我们感觉为什么还是正立的？但我们感觉为什么还是正立的？这是视神经系统内部作用的结果，相当复杂，相当奇妙！这是视神经系统内部作用的结果，相当复杂，相当奇妙！为了方便，人们定义了为了方便，人们定义了标准眼标准眼模型和模型和简约眼简约眼模型模型13 从光学角度看，最主要的是：水晶体、和瞳孔和视网膜。人眼眼睛的调节眼睛的调节眼睛有两类调节功能：视度调节和瞳孔调节。1视度调节远近不同的其他物体，物距不同，则不会成像在视网膜上，这样我们就看不清。要想看清其他的物体，人眼就要自动地调节眼睛中晶状体的焦距，使像落在视网膜上。眼睛自动改变焦距的过程称为眼睛的调节。14眼睛的调节眼睛有两类调节功能：视度调节和瞳孔调节。1视度正常人眼在完全放松的自然状态下，无限远目标成像在视网膜上，即眼睛的像方焦点在视网膜上。在观察近距离物体时，人眼水晶体周围肌肉收缩，使水晶体前表面半径变小（后表面基本不变）眼睛光学系统的焦距变短，后焦点前移，从而使该物体的像成在视网膜上。当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所能看清的最远的点称为远点，其相应的距离称为远点距，以 r 表示（米），正常眼，r无限远 当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的最近的点称为近点，其相应的距离称为近点距，以 p 表示15正常人眼在完全放松的自然状态下，无限远目标成像在视网膜上，明视距是指正常的眼睛在正常照明（约50勒克斯）下最方便和最习惯的工作距离，约250mm。它不同于人眼的近点距，两者不能混淆人眼的调节能力是用远点距r的倒数和近点距p的倒数之差来描述，用A来表示，即A称为眼睛的调节范围或调节能力。近点和远点间 l 处，总能清晰地成像在视网膜上。单位为米，则其倒数称为视度，单位为屈光度16明视距是指正常的眼睛在正常照明（约50勒克斯）下最方便和最习近点距倒数 称为近点视度。在医院和眼镜店通常把1屈光度称为100度。人眼的调节能力随年龄的增加而变化。随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往近移，因而调节范围减少。远点距倒数 称为远点视度，17近点距倒数 F正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远（R=0），像方焦点正好和视网膜重合 FF 若不符合这一条件就是 非正常眼，或称视力不正常F 最常见的有近视眼和远视眼18正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，F所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（r 0）F这是由于眼球太长，像方焦点位于视网膜的前面所致。因此，只有眼前有限距离处的物体才能成像在视网膜上。F对应着负视度，配上适当的负光焦度眼镜后，即可使无限远物体成像于眼睛的远点上，然后再经眼睛成像于网膜上，因而眼镜矫正了眼睛的缺陷。近视度数：眼睛远点的视度近视度数：眼睛远点的视度*100*100近视近视200200，500500度：远点在度：远点在0.50.5，0.20.2米处，米处，需要配戴眼镜的焦距为需要配戴眼镜的焦距为-500mm-500mm，-200mm-200mm19所谓近视眼就是其远点在眼睛前方有限距离处（r 0），u这是由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是会聚时，才能正好聚焦在视网膜上。u对应着正视度，需以正透镜来使其远点恢复到无限远 20所谓远视眼就是其远点在眼睛之后（r 0），这是由于眼球 瞳孔调节（适应特性）人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情况适应的过程称为适应（即为瞳孔的调节）。眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼睛的进光亮（2mm8mm)。在设计目视光学仪器时要充分考虑与眼瞳的配合。适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生的变态过程，可分为对暗适应和对光适应两种，前者发生在光亮处到黑暗处的时候，后者发生在自黑暗处到光亮处的时候。21 瞳孔调节（适应特性）人眼还能在不同亮三、眼睛的分辨率（分辨本领）u所谓人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时的分辨能力。?眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分辨率（分辨本领）?人眼的分辨率一般用极限分辨角来表示。u人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学仪器设计的重要依据之一。u用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼时也可据此作为参考。22三、眼睛的分辨率（分辨本领）所谓人眼的分辨能力指的是成像在中?人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角?人眼分辨率与极限分辨角成反比关系u受什么因素影响？分辨本领多高？瞳孔的衍射极限、感光细胞的大小，眼镜的像差u首先从人眼的视网膜结构上来分析：?眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节点的张角成为两点间的角距离或称为视角23人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角人眼分辨率与极限u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u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 u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。u人眼的极限分辨角可表示为 （rad）24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u 所以人眼的极限分辨角可表示为（rad）u 眼睛的极限分辨角(rad)；u 视觉细胞的直径，约为0.006mm；u xj 像方节点到视网膜的距离u应为 u而当眼睛处于放松状态时，f=-17.1mm。上式可得：（秒）（秒）25 所以人眼的极限分辨角可表示为（rad）眼睛的极限u可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的波长有关，而且还与眼睛的瞳孔直径有关。u=50 120”；u在良好的照明条件下，一般认为=60”=1 u认为人眼的极限分辨角为1。u在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。瞳孔衍射的极限分辨角度：瞳孔衍射的极限分辨角度：视力、视力表、验光仪视力、视力表、验光仪26可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的波长有关，而且还与眼睛的ABD1Bb2 a2b1 a1B D2(1)体视效应(2)体视锐度27ABD1Bb2 a2b1 a1B D227u眼睛在观察物体时，除了一般的物体特征外，还能够产生远近的感觉，被称为“空间深度感觉”u单眼或双眼都能产生这种感觉u单眼深度感觉来源：u1）物体高度已知，它所对应的视角大小来判断其远近u2）物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们相对位置u3）对物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生的深度感觉u4）眼睛的调节程度来判断物体的远近。立体视觉28眼睛在观察物体时，除了一般的物体特征外，还能够产生远近的感觉双眼观察的深度感觉除上述因素外：双眼观察的深度感觉除上述因素外：5 5）物体的距离越近，视轴之间的夹角越大，这种感觉使眼球发生转）物体的距离越近，视轴之间的夹角越大，这种感觉使眼球发生转动的肌肉紧张程度就不同，据此就能判断物体的远近；动的肌肉紧张程度就不同，据此就能判断物体的远近；6 6）双眼立体视觉（简称体视）双眼立体视觉（简称体视）称为称为“视差角视差角”BABAa2b2a1b1Aa1a229双眼观察的深度感觉除上述因素外：BABAa2b2a1b1其极限值其极限值 称为称为“体视锐度体视锐度”u当A、B两点距离不等时，或u产生了远近的感觉 被称为双眼立体视觉 ABABb2a2a1b1lbABABb2a2a1b1约为约为10”，有可能达到，有可能达到5”或或3”30其极限值 当A、B两点距离不等时，u当物点对应的视角差等于 时，人眼刚能分辨出它和无限远物点之间的距离差别u即反映了人眼可能分辨出物点远近的最大距离人眼瞳孔之间的平均距离为b=62mm，uLmax称为立体视觉半径31当物点对应的视角差等于 时，人眼刚能分辨出它323233333434353536363737视力锐度、视力表视力锐度、视力表u眼镜能分辨两物点的最小距离的能力，视角来眼镜能分辨两物点的最小距离的能力，视角来衡量。衡量。u通常以通常以1分视角的标志为基本标志，例如分视角的标志为基本标志，例如EuSnellen 视力表，对数视力表视力表，对数视力表 u视力的表示方法：视力的表示方法：小数法，分数法，小数法，分数法，5分纪录法分纪录法38视力锐度、视力表眼镜能分辨两物点的最小距离的能力，视角来衡量u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u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u这个不重合限度的极限值称为人眼的对准精度。u人眼的瞄准精度一般用角度值来表示 对准精度对准精度39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u即两线宽的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值时，虽然还存在着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的，这时角度值即为人眼瞄准精度。u人眼对于线条的变形或两条线错开造成的外形变化或比较两条线宽的变化具有很高的灵敏度。u人眼通过两物的比较发现它们外形变化的能力比分辨它们要强得多。40即两线宽的几何中心线对人眼的张角小于某一角度值时，虽然还存u形成对眼睛瞄准有利的条件。u瞄准精度和分辨率是两个概念。u又有一定的联系，经验证明，人眼的最高瞄准精度约为分辨率的1/6至1/10。u1、两实线瞄准 60 u2、两实线端部瞄准1020 u3、双线平分或对称瞄准510 u4、虚线压测件轮廓边缘2030 41形成对眼睛瞄准有利的条件。瞄准精度和分辨率是两个概念。又有一 8.眼睛的横向对准误差眼睛的对准误差与对准方式有关压线压线 游标游标 夹线对准夹线对准叉丝对准叉丝对准狭缝夹线狭缝夹线叉丝对准叉丝对准42 眼睛的对准误差与对准方式有关压线 游标 夹线对准叉丝对1.对准与调焦的概念对准：垂直于瞄准轴方向上目标比较标记重合或置中的过程调焦：目标和比较标记在沿瞄准轴方向上重合或置中的过程2.对准误差1）、用望远镜观察2）、用显微镜观察在明视距离，人眼直接观察对准误差通过显微镜观察 二眼睛通过光学系统观测时对准误差和调焦误差432）、用显微镜观察通过显微镜观察 二眼睛通过光学系统观测3.对准误差与鉴别率的关系 对准：目标和分划线的重合和置中的问题 分辨：分辨两个靠近标记的能力（1）望远镜的理论分辨率（2）显微镜的理论分辨率443.对准误差与鉴别率的关系（1）望远镜的理论分辨率（2）显微 4、调焦误差 A.望远镜观察 1)、清晰度法aD45 4、调焦误差 aD45b.物理景深(视觉深度)RhR眼睛处于放松状态可同时看清5米至无限远的物体 46b.物理景深(视觉深度)RhR眼睛处于放松状态可同时看A.望远镜观察 2)、消视差法47A.望远镜观察47B.显微镜观察 1）清晰度法 总的调焦误差 2）消视差法48B.显微镜观察 总的调焦误差 2）消视差法485 提高定焦精度的方法 (1)将纵向调焦变成横向对准（半透镜视角筒）(2)利用人眼衬度灵敏度，采用等亮度定焦（双星点法）(3)利用人眼体视锐度（10）将单目观察变成双目观察（立体视差仪）(4)光电对准消除人眼主观误差使对准自动化495 提高定焦精度的方法 492.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。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类，两类仪器对准标准不确定度分别达到0.01m0.02m和0.050.1u光电对准分类：n光度式：普通光度式、差动光度式n相位式502.光电对准光电探测不仅可以代替眼睛进行对准、定焦和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光电对准51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定焦实质上是确定物镜的最佳像面的位置。定焦实质上是确定物镜的最佳像面的位置。定焦实质上是确定物镜的最佳像面的位置。定焦实质上是确定物镜的最佳像面的位置。事实上，确定最佳像面的标准有多种，如事实上，确定最佳像面的标准有多种，如事实上，确定最佳像面的标准有多种，如事实上，确定最佳像面的标准有多种，如最高对比度像面最高对比度像面最高对比度像面最高对比度像面最高分辨率像面最高分辨率像面最高分辨率像面最高分辨率像面最小波像差像面最小波像差像面最小波像差像面最小波像差像面最小弥散圆像面最小弥散圆像面最小弥散圆像面最小弥散圆像面最大调制传递函数像面最大调制传递函数像面最大调制传递函数像面最大调制传递函数像面点像光斑中心照度最大值像面等。点像光斑中心照度最大值像面等。点像光斑中心照度最大值像面等。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，通常这对于一个有剩余像差和加工误差的实际物镜来说，通常这对于一个有剩余像差和加工误差的实际物镜来说，通常这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，像面位置还与些像面并不重合。实验确定最佳像面时，像面位置还与些像面并不重合。实验确定最佳像面时，像面位置还与些像面并不重合。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。照明光源的光谱成分和接收器的光谱灵敏度有关。照明光源的光谱成分和接收器的光谱灵敏度有关。照明光源的光谱成分和接收器的光谱灵敏度有关。光电定焦光电定焦52定焦实质上是确定物镜的最佳像面的位置。光电定焦52u光电定焦的方法有多种，如n扇形光栅法n小孔光阑法n刀口检验法nMTF法等。u这里以扇形光栅法为例介绍光电定焦方法。该方法已广泛用于测量照相物镜的工作距离（从最佳像面到物镜框端的距离）。同时，还能测量和研究其它光学特性，如弥散斑直径、OTF、焦距等。光电定焦光电定焦53光电定焦的方法有多种，如光电定焦53M 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（%）100dRdd光电定焦光电定焦54M 扇形光栅法定焦系统a）b）c）用扇形光栅确定像面0ama