光學(xué)測(cè)量原理和技術(shù)

1、第一章、 對(duì)準(zhǔn)、調(diào)焦 ? 對(duì)準(zhǔn)、調(diào)焦的定義、目的； 1. 對(duì)準(zhǔn)又稱橫向?qū)?zhǔn)，是指一個(gè)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)與比較標(biāo)志在垂直瞄準(zhǔn)軸方向像的重合或置 中。目的：瞄準(zhǔn)目標(biāo)（打靶）；精確定位、測(cè)量某些物理量（長(zhǎng)度、角度度量） 2、調(diào)焦又稱縱向?qū)?zhǔn)，是指一個(gè)目標(biāo)像與比較標(biāo)志在瞄準(zhǔn)軸方向的重合。 目的： -使目標(biāo)與基準(zhǔn)標(biāo)志位于垂直于瞄準(zhǔn)軸方向的同一個(gè)面上，也就是使二者位于同一空間 深度； -使物體（目標(biāo)）成像清晰； -確定物面或其共軛像面的位置一一定焦。 人眼調(diào)焦的方法及其誤差構(gòu)成； 清晰度法：以目標(biāo)和標(biāo)志同樣清晰為準(zhǔn)則； 消視差法：眼睛在垂直視軸方向上左右擺動(dòng)，以看不出目標(biāo)和標(biāo) 志有相 對(duì)橫 移為準(zhǔn)則?？蓪⒖v向調(diào)焦轉(zhuǎn)

2、變?yōu)闄M向?qū)?zhǔn)。 清晰度法誤差源：幾何焦深、物理焦深； 消視差法誤差源：人眼對(duì)準(zhǔn)誤差； 幾何焦深：人眼觀察目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)像不一定能準(zhǔn)確落在視網(wǎng)膜上。但只要目標(biāo)上一點(diǎn)在視網(wǎng)膜上生 成的彌散斑直徑小于眼睛的分辨極限，人眼仍會(huì)把該彌散斑認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)，即認(rèn)為成像清晰。由此 所帶來的調(diào)焦誤差，稱為幾何焦深。 1 =1 12 -1 h =才 De 物理焦深：光波因眼瞳發(fā)生衍射，即使假定為理想成像，視網(wǎng)膜上的像點(diǎn)也不再是一個(gè)幾何點(diǎn)，而 是一個(gè)艾里斑。若物點(diǎn)沿軸向移動(dòng) I后， 分辨不出視網(wǎng)膜上的衍射圖像有什么變化。 眼瞳面上產(chǎn)生的波像差小于 入/K（常取K=6），此時(shí)人眼仍 （清晰度）人眼調(diào)焦擴(kuò)展不確定度: 2

3、= I2 8 h - kdI （消視差法）人眼調(diào)焦擴(kuò)展不確定度： 人眼擺動(dòng)距離為b，所選對(duì)準(zhǔn)擴(kuò)展不確定度為 S e，二 _ b e 瓦丿 C- 、2 8人 2 KDe丿 ? 對(duì)準(zhǔn)誤差、調(diào)焦誤差的表示方法； 對(duì)準(zhǔn)：人眼、望遠(yuǎn)系統(tǒng)用 張角表示；顯微系統(tǒng)用物方 垂軸偏離量 表示； 調(diào)焦：人眼、望遠(yuǎn)系統(tǒng)用 視度表示；顯微系統(tǒng)用目標(biāo)與標(biāo)志 軸向間距 表示 承帝冒 人IH珅準(zhǔn)擴(kuò)増平番遲鷹 區(qū)疑對(duì)準(zhǔn) 單線與車統(tǒng)申件對(duì)唯 諭暉対淮 15 九雄寬不直大于 2.分界樂翻應(yīng)細(xì)向總亦 itr 1.三絃嚴(yán)略F冇 2兩平打歧屮心間距芹 于堆立度的1,6倍 罠it對(duì)準(zhǔn) 與義紅啊角平 蛍醴艮爛對(duì)準(zhǔn) icr 直軌弓展肚嚴(yán)崎平存

4、 ? 常用的對(duì)準(zhǔn)方式; 、2 ? 光學(xué)系統(tǒng)在對(duì)準(zhǔn)、調(diào)焦中的作用 望遠(yuǎn)系統(tǒng)：對(duì)準(zhǔn)擴(kuò)展不確定度 調(diào)焦 顯微系統(tǒng)：對(duì)準(zhǔn) =2 :2 人 fe w- 250. e 調(diào)焦 .：x3 D eq NA D 1 n ef eq 2NA / 2 2n 星點(diǎn)檢驗(yàn) 基本、直觀簡(jiǎn)便、靈敏度較高， 全面 主觀、定性或半定性評(píng)價(jià)法，對(duì)檢測(cè)人 員專業(yè)技能要求較高 分辨率法 定量、簡(jiǎn)單方便 主觀性大，信息量少 光學(xué)傳遞函數(shù)法 客觀、定量 設(shè)計(jì)原理復(fù)雜，測(cè)量過程復(fù)雜（目前已 改善） ? 理想衍射受限系統(tǒng)及其星點(diǎn)像特點(diǎn)； 不存在幾何像差和其它一些工藝疵病，只需要考慮光學(xué)衍射效應(yīng)的理想光學(xué)系統(tǒng)。一些 小像差的光學(xué)系統(tǒng)，比如它們的波

5、像差小于 /6，或者滿足斯特雷爾容限，也可 以近似認(rèn)為是理想衍射受限系統(tǒng)。 理想衍射受限系統(tǒng)焦平面光強(qiáng)分布： 沿光軸方向服從sine分布，焦平面上服從一階貝塞爾函數(shù)。 ? 星點(diǎn)檢驗(yàn)裝置； 使用測(cè)量顯微鏡： 使用測(cè)量望遠(yuǎn)鏡: ?星點(diǎn)檢驗(yàn)條件； 1、星孔大小要適中 星孔允許的最大角直徑必須小于等于艾里斑第一衍射暗環(huán)角半徑的二分之一。 1 :max1=0.61 /D 2 d max 二max 2、不能切割光束； 觀察顯微物鏡數(shù)值孔徑的選擇: 3、觀察顯微鏡/前置鏡的放大倍率要足夠大； 視放大率以人眼觀察時(shí)能分開星點(diǎn)像第一、二衍射亮環(huán)為準(zhǔn) 3.1觀察顯微鏡視放大率的選擇 3.2前置鏡視放大率的選擇 被

6、測(cè)望遠(yuǎn)鏡 D 2 D為被測(cè)望遠(yuǎn)鏡的出瞳直徑以 mm為單位，飛人眼極限分辨角，以分為單位。 4、觀察顯微鏡/前置鏡的成像質(zhì)量?jī)?yōu)良； 5、裝調(diào)準(zhǔn)確。 ? 星點(diǎn)檢驗(yàn)?zāi)軝z什么像差，不能檢什么像差？ 能檢像散、慧差、球差，不能檢畸變、場(chǎng)曲 補(bǔ)充：星點(diǎn)檢驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)： ? 測(cè)量裝置簡(jiǎn)單、操作方便、直觀 ? 能反映大多數(shù)像差、工藝疵病等成像質(zhì)量問題，比較全面 ? 靈敏度較高 缺點(diǎn)： ? 星點(diǎn)像復(fù)雜，反映了大量信息：球差、慧差、像散、離焦、材料缺陷、裝配誤差 內(nèi)應(yīng)力、雜光 ? 主觀、定性分析 ? 星點(diǎn)檢驗(yàn)對(duì)慧差、像散、球差靈敏，不能反映畸變、場(chǎng)曲 第九章、分辨率測(cè)量 ? 三類光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)分辨率表示形式; 望遠(yuǎn)系統(tǒng)

7、用望遠(yuǎn)物鏡后焦面上剛能分辨開的兩個(gè)衍射斑的中心距b對(duì)物鏡后主點(diǎn)的張 角來表示分辨率 objective 照相系統(tǒng) 顯微系統(tǒng) 用像面上剛能分辨開的兩個(gè)衍射光斑中心距b的倒數(shù)來表示分辨率 N =丄 a 直接用物面上剛能分辨開的兩個(gè)物點(diǎn)間的距離來表示分辨率 ? 空間頻率； T 二 0.1 mm 1 f 10 Cycles / mm ? 理想衍射受限系統(tǒng)的分辨率定義； 理想衍射系統(tǒng)中，兩個(gè)獨(dú)立發(fā)光點(diǎn)通過光學(xué)系統(tǒng)成像得到兩個(gè)衍射光斑。分析理想衍射系統(tǒng)能分 辨的最小間距，即為理想系統(tǒng)的理論分辨數(shù)值。 ? 三類光學(xué)系統(tǒng)的理論光學(xué)分辨率計(jì)算；、 瑞利 道斯 斯派羅 望遠(yuǎn)(rad) 1.22 1.02九 0.9

8、47 D D D 照相 1 1 1 1.22. F 1.02 F 0.947 F (mm 0.61 - NA 0.51 NA 0.47 扎 NA 分辨率測(cè)量裝置及分辨率板; 毛玻璃n 光源 平行光管 被測(cè)系統(tǒng) .分辨率板準(zhǔn)直物鏡 聚光鏡 理論分辨率分析采用雙像點(diǎn)（艾里斑）分析法。 實(shí)際測(cè)量：在平行光管上，采用分辨率板作為分劃板，觀察被測(cè)系統(tǒng)所成的像，判讀所能分辨的最細(xì)密條 紋。關(guān)鍵器件一一分辨率板 此種分辨率板，總共有 7塊板，各有板號(hào)，分別為 A1A7 ,其中條紋的密度逐漸加大。每塊板總共 有25個(gè)單元，每個(gè)單元由四組不同方向的條紋組成。 前置鏡/觀 察顯微鏡人眼 P =P0q2 P。=16

9、0um(A號(hào)板第1單元線寬) = 0.94387 n =1,2,3,| 川 |,85 1 2p ? 照相物鏡軸上分辨率測(cè)量與計(jì)算; N0為無限遠(yuǎn)處 N為像面上分辨率 補(bǔ)充： ，-2P 206265() 3、優(yōu)點(diǎn)：定量、設(shè)備簡(jiǎn)單、要求低 局限性：靈敏度不如星點(diǎn)檢驗(yàn)高、不夠全面、不能反映低對(duì)比度成像性能。 第十章、光學(xué)傳遞函數(shù) ? 點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)； 星點(diǎn)像的歸一化能量分布(光強(qiáng)分布)即為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) ? 線擴(kuò)展函數(shù)； 對(duì)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)一維方向求積分可得線擴(kuò)展函數(shù)。 或：物平面上的一線光源，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像后，像的一維光強(qiáng)分布。 ? 空間頻率； ? 光學(xué)傳遞函數(shù)物理意義、基本定義； 定義：光學(xué)傳遞函數(shù)(Opt

10、ical Transfer Function, OTF)是一個(gè)關(guān)于空間頻率的復(fù)值函數(shù)，它的模稱為調(diào)制 傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function, MTF)，它的相位稱為相位傳遞函數(shù) (Phase Transfer Function, PTF)。OTF能在整個(gè)空間頻域范圍內(nèi)全面考察光學(xué)系統(tǒng)的成像性能。 點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)PSF(x,y)的傅立葉變換，即為OTF。 fx、fy OTF ( fx, fy ) = MTF ( fx, fy )exp iPTF ( fx, fy ) x、y方向的空間頻率_ 物理意義：對(duì)比度良好（100% ）的黑白條紋圖案，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后，黑白條紋像的對(duì)比度降低， 清晰度下降。黑白條紋圖案，可以理解為一維方向的方波信號(hào)，可由傅里葉級(jí)數(shù)分解為無數(shù)多個(gè)不同 空間頻率的正弦諧波信號(hào)，各正弦諧波信號(hào)的調(diào)制度均為100% ;這些正弦諧波信號(hào)通過光學(xué)系統(tǒng)后, 其調(diào)制度衰減，且不同空間頻率的正弦信號(hào)調(diào)制度衰減系數(shù)不同； ? 調(diào)制傳遞函數(shù)與相位傳遞函數(shù)； 定義見上題。 相位傳遞函數(shù)，實(shí)際用得較少，因?yàn)橄辔粋鬟f函數(shù)通常反映了成像中的圖像變形，基本 上不反映圖像的清晰度。 而調(diào)制傳遞函數(shù)對(duì)圖像的清晰度反映很靈敏，最能反映成像質(zhì)量狀況，因此一般都用 MTF來評(píng)價(jià)。 ? 特征頻率； 選一兩個(gè)能夠反映成像質(zhì)量的空間