光學(xué)測(cè)試第一章節(jié)-課件

1、緒論一、光學(xué)測(cè)量與測(cè)試技術(shù)的作用：利用光學(xué)原理進(jìn)行精密測(cè)量，一直是計(jì)量測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域中的主要方法。由于光學(xué)測(cè)量方法具有非接觸、高靈敏度和高精度等優(yōu)點(diǎn)，在近代科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、空間技術(shù)、國(guó)防技術(shù)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，成為一種無(wú)法取代的測(cè)量技術(shù)。隨著微光學(xué)和集成光學(xué)的發(fā)展，光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)向微型化、集成化方向發(fā)展，促使光學(xué)測(cè)量技術(shù)成為近代科學(xué)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)的眼睛，是保證科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要高新技術(shù)之一。緒論二、技術(shù)現(xiàn)狀利用自然界存在的光線進(jìn)行計(jì)量與測(cè)試最早開(kāi)始于天文與地理測(cè)量中。望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的出現(xiàn)，光學(xué)與精密機(jī)械的結(jié)合，是許多傳統(tǒng)的光學(xué)計(jì)量與測(cè)試儀器廣泛應(yīng)用于各級(jí)計(jì)量即工業(yè)測(cè)量部門(mén)。激光器的

2、出現(xiàn)和信息光學(xué)的形成，特別是激光技術(shù)與微電子技術(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。在光機(jī)電金字塔中，塔頂是光，光學(xué)是這個(gè)基礎(chǔ)體系中的原理基礎(chǔ)。緒論近代光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：1、從主觀光學(xué)發(fā)展稱為客觀光學(xué)，即用光電探測(cè)器取代人眼這個(gè)主觀探測(cè)器，提高了測(cè)量精度和效率。2、用激光光源取代常規(guī)光源，獲得方向性極好的實(shí)際光線用于各種光學(xué)測(cè)量上。3.從光機(jī)結(jié)合模式向光機(jī)電一體化的模式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的一體化。緒論三、技術(shù)發(fā)展方向1、亞微米級(jí)、納米級(jí)的高精度光學(xué)測(cè)量方法首先得到優(yōu)先發(fā)展，利用新的物理學(xué)原理和光電子原理產(chǎn)生的光學(xué)測(cè)量方法將不斷出現(xiàn)。2、一微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)的高精度、小

3、尺寸、低成本的集成光學(xué)和其它微傳感器將成為技術(shù)主流方向，小型、微型非接觸式光學(xué)傳感器以及微光學(xué)這類微結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)將暫露頭角。3、快速、高效的3D測(cè)量技術(shù)將取得突破，發(fā)展帶存儲(chǔ)功能的全場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x器。緒論4、發(fā)展閉環(huán)式光學(xué)測(cè)試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量與控制的一體化。5、發(fā)展光學(xué)診斷和光學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，一替代常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法與手段。緒論四、光學(xué)測(cè)量與測(cè)試技術(shù)的基本概念計(jì)量學(xué)是指研究、保證測(cè)量統(tǒng)一和準(zhǔn)確的科學(xué)；計(jì)量泛指對(duì)物理量的標(biāo)定、傳遞與控制。計(jì)量學(xué)研究的主要內(nèi)容：計(jì)量單位及其基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的建立、保存與使用，測(cè)量方法和計(jì)量器具，測(cè)量不確定度，觀察者進(jìn)行測(cè)量的能力以及計(jì)量法制與管理等。計(jì)量學(xué)也包括研究

4、物理常數(shù)和物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，材料特性的準(zhǔn)確測(cè)定。緒論測(cè)量是指將被測(cè)值和一個(gè)作為測(cè)量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，求其比值的過(guò)程。從計(jì)量學(xué)的定義和內(nèi)容可以看出，計(jì)量的主要表現(xiàn)方式是測(cè)量。測(cè)量的目的是要得到一個(gè)具體的測(cè)量數(shù)值，這個(gè)數(shù)值還應(yīng)包括測(cè)量的不確定度。一個(gè)完整的測(cè)量過(guò)程包括四個(gè)測(cè)量要素：測(cè)量對(duì)象和被測(cè)量，測(cè)量單位和標(biāo)準(zhǔn)量，測(cè)量方法，測(cè)量的不確定度。檢驗(yàn)是指判斷測(cè)量是否合格的過(guò)程，通常不一定要求具體數(shù)值。緒論測(cè)試是指具有試驗(yàn)研究性質(zhì)的測(cè)量，一般是測(cè)量、試驗(yàn)和檢驗(yàn)的總稱。測(cè)試是人們認(rèn)識(shí)客觀事物的方法。測(cè)試過(guò)程是從多個(gè)事物中攝取有關(guān)信息的認(rèn)識(shí)過(guò)程。在測(cè)試過(guò)程中，需要借助專門(mén)的設(shè)備，通過(guò)合適的實(shí)驗(yàn)和必要的數(shù)據(jù)處理，

5、求得所研究對(duì)象的有關(guān)信息量值。靈敏度是指測(cè)量系統(tǒng)輸出變化量y與引起該該變化量的輸入變化量x之比。測(cè)量系統(tǒng)輸出曲線的斜率就是其靈敏度，對(duì)于線性系統(tǒng)，靈敏度是一個(gè)常數(shù)。緒論分辨率是指測(cè)量系統(tǒng)能檢測(cè)到的最小輸入增量。誤差是指測(cè)得值與被測(cè)量的真值之間的差值。誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差與粗大誤差。精度反映測(cè)量結(jié)果與真值接近程度的量。在現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試中，精度的概念逐步被測(cè)量的不確定度代替。測(cè)量不確定度是表征合理賦予被測(cè)量的量值的分散型參數(shù)。主要包括不確定度的A類評(píng)定-用對(duì)重復(fù)的統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行不確定度的評(píng)定方法；B類評(píng)定-用不同于統(tǒng)計(jì)分的其它方法進(jìn)行不確定度評(píng)定方法。第一章 基本光學(xué)測(cè)量技術(shù)第一節(jié) 光學(xué)測(cè)量中

6、的對(duì)準(zhǔn)與調(diào)焦技術(shù)1-1光學(xué)測(cè)量中的對(duì)準(zhǔn)與調(diào)焦技術(shù)基本概念：（一）對(duì)準(zhǔn)（橫向?qū)?zhǔn)）-一個(gè)目標(biāo)與比較標(biāo)志在垂直瞄準(zhǔn)軸方向的重合和置中。注意：1、目標(biāo)、標(biāo)志是廣義的，在物空間比較時(shí)，是真正的目標(biāo)；在像方比較時(shí)，則是目標(biāo)的像。2、眼睛的瞄準(zhǔn)軸是黃斑中心與眼睛后節(jié)點(diǎn)的連線；光學(xué)儀器的瞄準(zhǔn)軸是指光學(xué)儀器的某個(gè)對(duì)準(zhǔn)用標(biāo)志與物鏡后節(jié)點(diǎn)的連線。1-1光學(xué)測(cè)量中的對(duì)準(zhǔn)與調(diào)焦技術(shù)（二）調(diào)焦（縱向?qū)?zhǔn)） -一個(gè)目標(biāo)像與比較標(biāo)志在瞄準(zhǔn)軸方向的重合。調(diào)焦的目的：主要是使物體（目標(biāo)）成像清晰，其次是為了確定物面或它的共軛像面的位置。確定物體的共軛像面的位置又稱為定焦。（三）對(duì)準(zhǔn)誤差-目標(biāo)與標(biāo)志在垂軸方向殘留的偏離量。（四）

7、調(diào)焦誤差-定焦后目標(biāo)像與標(biāo)志沿軸向殘留的偏離量。1-1光學(xué)測(cè)量中的對(duì)準(zhǔn)與調(diào)焦技術(shù)一、人眼的對(duì)準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差眼睛的對(duì)準(zhǔn)誤差以偏離量對(duì)眼睛中心的夾角表示。眼睛的調(diào)焦誤差以目標(biāo)與標(biāo)志到眼瞳距離的倒數(shù)之差表示。眼睛通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)去對(duì)準(zhǔn)或調(diào)焦的目的是利用儀器的有效放大率和有利的比較標(biāo)志（如叉線或雙線）以提高對(duì)準(zhǔn)和調(diào)焦的準(zhǔn)確度。人眼通過(guò)儀器觀察目標(biāo)時(shí)的對(duì)準(zhǔn)和調(diào)焦誤差應(yīng)以觀察儀器的物方對(duì)應(yīng)值表示,如圖所示：1-1光學(xué)測(cè)量中的對(duì)準(zhǔn)與調(diào)焦技術(shù)有限距離物體的對(duì)準(zhǔn)：無(wú)限遠(yuǎn)物體的對(duì)準(zhǔn)：y1-1光學(xué)測(cè)量中的對(duì)準(zhǔn)與調(diào)焦技術(shù)對(duì)有限距離物體的調(diào)焦：對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)物體的調(diào)焦：x1-1 一、 人眼對(duì)準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差在實(shí)際的應(yīng)用中，人眼

8、是通過(guò)觀察儀器（望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡）來(lái)對(duì)準(zhǔn)和調(diào)焦的，人眼在儀器的像方，儀器的對(duì)準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差相當(dāng)于人眼直接觀察目標(biāo)時(shí)的誤差。（一）人眼的對(duì)準(zhǔn)誤差常見(jiàn)的對(duì)準(zhǔn)方式和人眼的對(duì)準(zhǔn)誤差見(jiàn)表1-1；（略）1-1 一、 人眼對(duì)準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差（二）人眼的調(diào)焦誤差要使目標(biāo)位于標(biāo)志所在的垂直瞄準(zhǔn)軸的平面上，即二者位于同一深度上，常見(jiàn)的最簡(jiǎn)便的人眼調(diào)焦方式是清晰度法和消視差法：1、清晰度法-是以目標(biāo)與比較標(biāo)志同樣清晰為準(zhǔn)。用清晰度法定焦后，目標(biāo)與標(biāo)志的軸向距離即為此方法的調(diào)焦誤差。調(diào)焦誤差是由于存在幾何焦深和物理焦深所造成；1-1 1、清晰度法（1）幾何焦深：假定標(biāo)志真正成像在眼睛的視網(wǎng)膜上，這時(shí)標(biāo)志上的一點(diǎn)在網(wǎng)膜

9、（像面上）的像是一個(gè)幾何點(diǎn)；調(diào)焦時(shí)目標(biāo)不一定與標(biāo)志位于同一平面上，但是只要目標(biāo)上一點(diǎn)在網(wǎng)膜上所成的彌散圓直徑小于眼睛的分辨極限，人眼仍然把這個(gè)彌散圓當(dāng)成一個(gè)點(diǎn)，即認(rèn)為目標(biāo)與標(biāo)志同樣清晰。當(dāng)彌散圓直徑等于人眼分辨極限時(shí)，目標(biāo)至標(biāo)志距離 （即為調(diào)焦極限誤差）的兩倍 稱為幾何焦深（因?yàn)槟繕?biāo)在標(biāo)志前后等距是的效果相同).1-1 1、清晰度法由此可見(jiàn)，幾何焦深與人眼的極限分辨角 直接相關(guān)。通常取 ，當(dāng)人眼觀察遠(yuǎn)距離處的物體時(shí)， 會(huì)很大，這時(shí)調(diào)焦擴(kuò)展不確定度（調(diào)焦誤差）不用 表示，而應(yīng)以目標(biāo)和標(biāo)志到眼瞳距離的倒數(shù)之差值表示。設(shè)目標(biāo)距離為 ，標(biāo)志距離為 ，則 為幾何焦深的一半，眼瞳直徑為 ，人眼極限分辨角為

10、 ，由于幾何焦深造成的人眼調(diào)焦擴(kuò)展不確定度（極限誤差）為：1屈光度=1/mmrad目標(biāo)至標(biāo)志距離1-1 1、清晰度法（2）物理焦深：根據(jù)衍射理論，由于眼瞳大小有限，即使是理想成像，一物點(diǎn)在視網(wǎng)膜上的像不是一個(gè)而是一個(gè)彌散斑（艾里斑），當(dāng)物點(diǎn)沿軸向移動(dòng) 后，在眼瞳面上產(chǎn)生的波差小于某一個(gè)值（例如 ， 為大于1 的整數(shù)）時(shí)，人眼仍然分辨不出這時(shí)衍射像與艾里斑有什么區(qū)別，即如果目標(biāo)與標(biāo)志相距小于 時(shí)眼睛仍認(rèn)為二者的像同樣清楚。距離 稱為物理焦深。1-1 1、清晰度法由于物理焦深造成的人眼調(diào)焦擴(kuò)展不確定度（調(diào)焦極限誤差） 可由下式求得： 的取值，按瑞利準(zhǔn)則，波差應(yīng)小于 ，即取 還有一些學(xué)者認(rèn)為應(yīng)取波差

11、為 和 ，一般取 即 較為合適，其中 。1-1 1、清晰度法由清晰度法產(chǎn)生的人眼調(diào)焦擴(kuò)展不確定度為幾何焦深和物理焦深造成的調(diào)焦擴(kuò)展不確定度的方和根，即由于上式中兩項(xiàng)誤差皆屬于隨機(jī)誤差，并且它們都服從均勻分布規(guī)律，故單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差）為：1-1 2、消視差法消視差法是以眼睛在垂軸平面上左右擺動(dòng)也看不出目標(biāo)和標(biāo)志有相對(duì)橫向橫移為準(zhǔn)。由于無(wú)相對(duì)橫向位移時(shí)目標(biāo)不一定與標(biāo)志同樣清晰，所以消視差法不受焦深的影響。采用本方法時(shí)，先使目標(biāo)與標(biāo)志橫向?qū)?zhǔn)，再擺動(dòng)眼睛，如果看到二者始終對(duì)準(zhǔn)，則認(rèn)為調(diào)焦完成。消視差后目標(biāo)與標(biāo)志的軸向距離即為此方法的調(diào)焦誤差。由于本方法把縱向調(diào)焦變成橫向?qū)?zhǔn)，

12、從而可以通過(guò)選擇誤差小的對(duì)準(zhǔn)方式來(lái)提高調(diào)焦準(zhǔn)確度。1-1 2、消視差法設(shè)眼睛的擺動(dòng)距離為 ，所選對(duì)準(zhǔn)方式的對(duì)準(zhǔn)誤差為 ，定焦時(shí)目標(biāo)和標(biāo)志到眼睛的軸向距離分別為 和 ，此時(shí)人眼直接觀察的調(diào)焦擴(kuò)展不確定度（調(diào)焦極限誤差）根據(jù)（1-1）式可得：?jiǎn)未螠y(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差）為：一、 人眼對(duì)準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差計(jì)算公式 幾何焦深造成 清晰度法 物理焦深造成： 消視差法人眼的調(diào)焦誤差表1-1所示1 二、 望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差人眼通過(guò)望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡去對(duì)準(zhǔn)和調(diào)焦是為了提高對(duì)準(zhǔn)與調(diào)焦精度。（一）對(duì)準(zhǔn)誤差1、望遠(yuǎn)鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差設(shè)人眼直接對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)誤差為 ，望遠(yuǎn)鏡的放大率為 ，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)

13、物方的對(duì)準(zhǔn)誤差為 , 則1（一）對(duì)準(zhǔn)誤差 1、望遠(yuǎn)鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差例：V棱鏡折光儀的望遠(yuǎn)鏡放大率 ，入瞳直徑 ，對(duì)準(zhǔn)方式是夾線對(duì)準(zhǔn)，極限對(duì)準(zhǔn)誤差 ，則望遠(yuǎn)鏡的極限對(duì)準(zhǔn)誤差為：1（一）對(duì)準(zhǔn)誤差 2、顯微鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差設(shè)顯微鏡的總放大率為 ，其中物鏡的垂軸放大率為 ，通過(guò)顯微鏡觀察時(shí)物方的對(duì)準(zhǔn)擴(kuò)展不確定度設(shè)為 ，則有：因?yàn)?所以：y1 （一）對(duì)準(zhǔn) 2、顯微鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差例1：V棱鏡折光儀的顯微鏡放大率 ，顯微鏡的數(shù)值孔徑 ，對(duì)準(zhǔn)方式是夾線對(duì)準(zhǔn)， 顯微鏡物方的對(duì)準(zhǔn)擴(kuò)展不確定度：1 （一）對(duì)準(zhǔn)誤 2、顯微鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差例2：經(jīng)緯儀的讀盤(pán)刻劃圓直徑 ，用游標(biāo)對(duì)準(zhǔn)方式讀數(shù)，即 ，要求由對(duì)準(zhǔn)誤差帶入經(jīng)緯儀測(cè)角誤差的部

14、分不大于 ，求讀數(shù)顯微鏡的放大率的下限值。設(shè)顯微鏡物方的對(duì)準(zhǔn)誤差為 ， 在這里是度盤(pán)刻劃圓上的一個(gè)線量誤差，則 對(duì)應(yīng)的測(cè)角誤差為：根據(jù)式（1-8）可消去 ，即得計(jì)算放大率的公式：1 （一）對(duì)準(zhǔn)誤差3、對(duì)準(zhǔn)誤差與分辨率的關(guān)系由式（1-7）和（1-8）可以看出，對(duì)準(zhǔn)誤差與放大率成反比，是否可以認(rèn)為，只要單純?cè)龃?，對(duì)準(zhǔn)誤差必然減小呢？實(shí)踐證明，對(duì)準(zhǔn)誤差的減小還受到光學(xué)儀器分辨率的限制，因?yàn)榧词构鈱W(xué)儀器的像質(zhì)優(yōu)良，對(duì)準(zhǔn)和分辨也都存在著目標(biāo)經(jīng)物鏡成像的清晰度受衍射影響這一因素，所以兩者有一定的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：像質(zhì)優(yōu)良的望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的單次對(duì)準(zhǔn)不確定度最小只能達(dá)到它的理論分辨率的 ，即：而：1 （一

15、）對(duì)準(zhǔn)誤差3、對(duì)準(zhǔn)與分辨率的關(guān)系式中D-望遠(yuǎn)鏡的入瞳直徑，NA- 顯微物鏡的數(shù)值孔徑；當(dāng)取 時(shí)， 用式（1-9）去檢查前面舉出的V棱鏡折光儀的兩個(gè)例子。望遠(yuǎn)鏡入瞳直徑 ，則理論分辨率 ，前面已經(jīng)算出 ，說(shuō)明實(shí)際可以達(dá)到 的對(duì)準(zhǔn)精度。1 （一）對(duì)準(zhǔn)誤差3、對(duì)準(zhǔn)與分辨率的關(guān)系顯微鏡的數(shù)值孔徑 ，前面已經(jīng)算出 ，而 (對(duì)擴(kuò)展不確定度建議用1/6，標(biāo)準(zhǔn)不確定度才用1/10 ）。故顯微鏡的擴(kuò)展不確定度最好也只能達(dá)到0.33，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1 （二）調(diào)焦誤差1、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差（1）清晰度法：將人眼的兩部分調(diào)焦誤差，如式（1-1）和（1-2）所示的，分別換算到望遠(yuǎn)鏡物方，即可求出望遠(yuǎn)鏡用清晰度法調(diào)焦的

16、誤差。設(shè)在望遠(yuǎn)鏡像方的調(diào)焦誤差為 （屈光度）時(shí)，對(duì)應(yīng)物方為 （屈光度）。應(yīng)用牛頓公式 不難求出：1 （二）調(diào)焦誤差 1、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差（1）清晰度法：由此可得，在望遠(yuǎn)鏡物方當(dāng)眼瞳直徑 大于望遠(yuǎn)鏡的出瞳直徑 時(shí)，以實(shí)際有效的像方通光口徑 代替公式中的 ，上式變?yōu)椋喝?，則 為實(shí)際有效的入瞳直徑，即應(yīng)以代替式中的 ， 為望遠(yuǎn)鏡的入瞳直徑。1 （二）調(diào)焦誤差 1、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差（1）清晰度法：望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦擴(kuò)展不確定度為：標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：1 （二）調(diào)焦誤差 1、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差（2）消視差法：人眼通過(guò)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦時(shí)，眼睛在出瞳面上擺動(dòng)最大距離將受到出瞳直徑的限制。因?yàn)樵谝暰W(wǎng)膜上像的位置由進(jìn)入眼睛的成

17、像光束的中心線與視網(wǎng)膜的交點(diǎn)決定，因此眼瞳的有效距離不等于眼瞳的實(shí)際移動(dòng)距離t，而等于出瞳中心到進(jìn)入眼瞳的光束中心的距離b，btb1 （二）調(diào)焦誤差 1、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差（2）消視差法：如圖所示，圖中陰影線部分表示進(jìn)入眼瞳的光束截面積。不難看出，b越大進(jìn)入眼睛的光束越細(xì)，像越暗，眼睛的對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)確度將降低。一般規(guī)定，當(dāng) 左右時(shí)（這時(shí)視場(chǎng)亮度為 ），計(jì)算調(diào)焦誤差的眼睛最大移動(dòng)距離是眼瞳中心移至出瞳邊緣處，這時(shí)：btb1 （二）調(diào)焦誤差 1、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差（2）消視差法：在實(shí)驗(yàn)室條件下，視場(chǎng)亮度有時(shí)達(dá)不到要求的 水平， 將增大。但當(dāng) 時(shí)（視場(chǎng)亮度大于 ），只要保持靜如眼瞳的光束截面積基本不變（與 時(shí)

18、，圖1-3（b）中的畫(huà)斜線的面積基本相同），對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)確度不會(huì)有明顯下降，因此上式中的 可以看作定值1/2mm，公式變?yōu)椋? （二）調(diào)焦誤差 1、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差（2）消視差法：將式（1-5）的 換算到望遠(yuǎn)鏡物方得：將式（1-12）代入上式，得調(diào)焦擴(kuò)展不確定度為：?jiǎn)未螠y(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：式中 由表1-1查出，但單位改為“rad”1 （二）調(diào)焦誤差 1、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差例：校正平行光管的分劃板位置，要求分劃板位于平行光管物鏡的焦面上，設(shè)平行光管口徑 ，物鏡焦距 。用一個(gè)望遠(yuǎn)鏡對(duì)向平行光管，觀察它的分劃板像，當(dāng)看到這個(gè)像與望遠(yuǎn)鏡的分劃板刻線同樣清晰和消視差時(shí)，則認(rèn)為平行光管已經(jīng)校正好，設(shè)望遠(yuǎn)鏡入瞳直徑

19、 ，物鏡焦距 ，放大率 ，問(wèn)調(diào)焦誤差有多少？1 （二）調(diào)焦誤差 1、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差1.用清晰度法：觀察時(shí)實(shí)際通光口徑 ，取 代入式（1-10）得：2.用消視差法：設(shè)對(duì)準(zhǔn)方式是壓線對(duì)準(zhǔn)，取眼瞳直徑 ，出瞳直徑為： 代入式（1-13）得1 （二）調(diào)焦誤差 2、顯微鏡的調(diào)焦誤差（1）清晰度法：將人眼的調(diào)焦誤差換算到顯微鏡物方的簡(jiǎn)單的方法是把顯微鏡看作為放大率較大的放大鏡，其等效焦距為：式中 為顯微鏡總放大率顯微鏡物空間的折射率為n時(shí)，設(shè)人眼調(diào)焦不確定度為 ，則顯微鏡物方對(duì)應(yīng)的調(diào)焦不確定度由式（1-1)和牛頓公式可知，為：1 （二）調(diào)焦誤差 2、顯微鏡的調(diào)焦誤差（1）清晰度法：若 大于出瞳直徑 ，上

20、式變?yōu)椋猴@微鏡的出瞳直徑 與數(shù)值孔徑 及總放大率的關(guān)系見(jiàn)圖1-4，得：代入式（1-15）得：y-yuu1 （二）調(diào)焦誤差 2、顯微鏡的調(diào)焦誤差（1）清晰度法：由物理焦深產(chǎn)生的調(diào)焦不確定度，可以通過(guò)較簡(jiǎn)單的方法求得。如果 ，則當(dāng)目標(biāo)像和標(biāo)志像發(fā)出的光束在顯微鏡出瞳范圍內(nèi)所截波面之間的波差小于 時(shí)，人眼看到二者同樣清晰。假定顯微鏡像質(zhì)良好，在目標(biāo)到標(biāo)志的深度范圍內(nèi)波像差的變化很小，那么，在顯微鏡物方，目標(biāo)和標(biāo)志對(duì)入瞳的波差也應(yīng)是小于 。1 （二）調(diào)焦誤差 2、顯微鏡的調(diào)焦誤差（1）清晰度法：設(shè)波像差達(dá) 時(shí)，目標(biāo)到入瞳的距離為 ，標(biāo)志到入瞳的距離為 ，入瞳直徑為 ，則二者之間在入瞳處的波差，當(dāng) 時(shí)，

21、可近似得：假設(shè)物空間介質(zhì)的折射率為n，物方最大孔徑角為U，而且差值 是一個(gè)很小的數(shù)，則有：1 （二）調(diào)焦誤差 2、顯微鏡的調(diào)焦誤差（1）清晰度法：則由物理焦深造成的調(diào)焦誤差為：總的調(diào)焦擴(kuò)展不確定度為：?jiǎn)未螠y(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：1 （二）調(diào)焦誤差 2、顯微鏡的調(diào)焦誤差（2）消視差法：求調(diào)焦誤差的方法與求式（1-17）的方法相似。將式（1-5）換算到顯微鏡的物方得：將式（1-12）代入上式中，得到調(diào)焦擴(kuò)展不確定度：再應(yīng)用式（1-16），最后得到消視差法的調(diào)焦擴(kuò)展不確定度為：1 （二）調(diào)焦誤差 2、顯微鏡的調(diào)焦誤差（2）消視差法：則單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：例用一顯微鏡確定某分劃板的位置，顯微物鏡 ，

22、目鏡 ，求顯微鏡對(duì)分劃板刻線面的調(diào)焦擴(kuò)展不確定度。（1）清晰度法：取 ，已知 代入式（1-19）得：1 （二）調(diào)焦誤差 2、顯微鏡的調(diào)焦誤差假如 ，則實(shí)際的數(shù)值孔徑 ，這時(shí) 。（2）消視差法：設(shè)被調(diào)焦的分劃板刻有直線（線寬0.01mm），顯微鏡的分劃板上刻有叉線，故有 ，顯微鏡的出瞳直徑設(shè)眼瞳直徑 ，將上面各值代入式（1-22）得： 1 （二）調(diào)焦誤差 2、顯微鏡的調(diào)焦誤差根據(jù)公式（1-10）、（1-13）、（1-22），分析兩種方法的調(diào)焦誤差，可以得到如下結(jié)論：由于消視差法可通過(guò)選擇有利的對(duì)準(zhǔn)方式是對(duì)準(zhǔn)誤差 大大減小，因此，系統(tǒng)出瞳直徑 時(shí)，用消視差法準(zhǔn)確度高； ，用清晰度法準(zhǔn)確度高。 時(shí)，

23、兩種方法準(zhǔn)確度相差不多。這個(gè)結(jié)論與實(shí)踐結(jié)果基本吻合。實(shí)際進(jìn)行目視法調(diào)焦時(shí)，往往兩種方法同時(shí)采用。這就是調(diào)至目標(biāo)與標(biāo)志同樣清晰，再左右擺動(dòng)眼睛觀察二者之間有無(wú)視差，最后以“清晰無(wú)視差”定焦。望遠(yuǎn)鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差與調(diào)焦誤差公式望遠(yuǎn)鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差： 清晰度法： 消視差法：望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦誤差顯微鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差與調(diào)焦誤差公式顯微鏡的對(duì)準(zhǔn)誤差： 清晰度法： 消視差法：顯微鏡的調(diào)焦誤差1-1 三、 光電對(duì)準(zhǔn)（一）光電對(duì)準(zhǔn)光電探測(cè)不僅可以代替眼睛進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、定焦和讀數(shù)，更重要的是可以大大提高對(duì)準(zhǔn)、定焦準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化，提高工作效率，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和處理的前提。因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)光電探測(cè)高精度地提取信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)

24、中，計(jì)算機(jī)才能有效地進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和處理。目前，光電對(duì)準(zhǔn)裝置可分為光電顯微鏡和光電望遠(yuǎn)鏡兩大類，主要用于對(duì)準(zhǔn)線條。兩類儀器對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別達(dá)到0.010m0.020 m、0.050.1的水平。光電對(duì)準(zhǔn)按工作原理分為光度式和相位式兩種。光度式對(duì)準(zhǔn)是根據(jù)刻線像相對(duì)于儀器的狹縫位置不同，通過(guò)狹縫到達(dá)光電接收器的光通量不同產(chǎn)生的光電流也不同這個(gè)原理，以輸出光電流（或電壓）最小時(shí)為對(duì)準(zhǔn)的，這時(shí)刻線像中心與狹縫像中心重合。為提高準(zhǔn)確度可在刻線想面上放置兩個(gè)狹縫，用兩個(gè)光電管分別接收通過(guò)每個(gè)狹縫的光通量，以輸出兩光電流相等時(shí)為對(duì)準(zhǔn)，這稱為差動(dòng)光度式。在光度式的基礎(chǔ)上加入一調(diào)制器即成為相位式。（一）光電對(duì)準(zhǔn)

25、調(diào)制器有兩種，一種是在成像光路中加入一個(gè)以一定頻率振動(dòng)的反光鏡，使刻線像在狹縫處做同頻率振動(dòng)；另一種是刻線像不動(dòng)，狹縫以一定頻率在像平面內(nèi)振動(dòng)。相位式光電對(duì)準(zhǔn)具有對(duì)光電接收器的穩(wěn)定性（在直流下工作難以確保零點(diǎn)讀數(shù)的穩(wěn)定性）和刻線質(zhì)量要求低，而對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。相位式光電自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的工作原理如圖（略） 1-5所示。國(guó)內(nèi)研制的一種較先進(jìn)的應(yīng)用微機(jī)進(jìn)行細(xì)分測(cè)量和數(shù)據(jù)處理的光柵式數(shù)字光電自準(zhǔn)直儀，其重復(fù)性達(dá)到0.01，測(cè)量不確定度為0.3。（二）光電定焦定焦實(shí)質(zhì)上是確定物鏡的最佳像面的位置。目視法定焦是把最高對(duì)比度的像面最為最佳像面，因?yàn)樵诖讼衩嫔涎劬τ凶钋逦馗杏X(jué)。事實(shí)上，確定最佳像面的標(biāo)準(zhǔn)有多

26、種，如最高分辨率像面、最小波像差像面、最小彌散圓像面、最大調(diào)制傳遞函數(shù)像面、點(diǎn)像光斑中心照度最大值像面等。對(duì)于一個(gè)有剩余像差和加工誤差的實(shí)際透鏡來(lái)說(shuō)，通常這些像面并不重合。實(shí)驗(yàn)確定最佳像面時(shí)，像面位置還與照明光源的光譜成分和接收器的光譜靈敏度有關(guān)。用光電定焦時(shí)，比較簡(jiǎn)單的判定最佳像面的標(biāo)準(zhǔn)是像斑中心照度達(dá)到最大值。測(cè)量此像面時(shí)所用光源及光電接收器組合的光譜靈敏度曲線，應(yīng)與被測(cè)物鏡實(shí)際使用時(shí)的光源和接收器的光譜靈敏度曲線一致。光電定焦的方法有多種，如扇形光柵法、小孔光闌法、刀口檢驗(yàn)法、MTF法等。（二）光電定焦扇形光柵法定焦法：扇形光柵法已廣泛用于測(cè)量照相物鏡的工作距離（從最佳像面到物鏡框端的距離）。同時(shí)還能測(cè)量和研究其它光學(xué)特性，如測(cè)量彌散斑直徑、OTF、焦距等。該方法的光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖所示。光源1經(jīng)聚光鏡2聚焦在小孔光闌3上，小孔光闌3位于被測(cè)物鏡4的焦點(diǎn)處，小孔3