光學測量基礎及目視光學儀器

第一章光學測量基礎第二節(jié)目視光學儀器的對準誤差和調(diào)焦誤差光學測量1.眼睛的瞳孔De2.視場2W3.眼睛的調(diào)節(jié)能力4.眼睛的光譜靈敏度大照度0.570μ中照度0.555μ小照度0.512μ5.眼睛對襯度的靈敏度

ΔB/BΔB目標與背景亮度差,B背景亮度在正常情況下為1.7%≈2%6.眼睛的分辨率第二節(jié)目視光學儀器的對準誤差和調(diào)焦誤差一、與光學測量有關得人眼特性第二節(jié)目視光學儀器的對準誤差和調(diào)焦誤差第二節(jié)目視光學儀器的對準誤差和調(diào)焦誤差人眼是非常精密的成像光學系統(tǒng)，（動物眼睛？）但并非理想系統(tǒng)，也存在像差，以及缺陷眼睛的結構——成像光學系統(tǒng)人眼本身相當于攝影光學系統(tǒng)，在角膜和視網(wǎng)膜之間的生物構造均可以看作成像元。

第二節(jié)目視光學儀器的對準誤差和調(diào)焦誤差人眼的構造剖視圖鞏膜1鞏膜是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；角膜2角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；有感覺神經(jīng)，無血管眼睛內(nèi)的折射主要發(fā)生在角膜上（三分之二的屈光度）；脈絡膜3脈絡膜是眼球的第二層膜，上面有供給眼睛營養(yǎng)的網(wǎng)狀微血管；人眼的構造剖視圖鞏膜角膜脈絡膜虹膜4虹膜是脈絡膜的最前端部分，含有色素細胞，決定眼的顏色；（不同的人種和物種有不同的顏色）瞳孔5瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直徑

在2--8mm范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌。（瞳孔可以不是圓的，貓眼）人眼的構造剖視圖鞏膜角膜細胞（視錐/桿細胞），錐狀細胞直徑約5微米，長35微米；桿狀細胞直徑2微米脈絡膜，長約60微米。它們在網(wǎng)膜上的分布式不均勻的。在黃斑中心凹處虹膜瞳孔網(wǎng)膜6視網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿著感光元素，即錐狀細胞和桿狀是錐狀細胞的密集區(qū)而沒有桿狀細胞，由中心向外，逐漸相對變化；黃斑中心凹人眼的構造剖視圖鞏膜角膜

光脈絡膜8盲斑（點）是網(wǎng)膜上沒有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜瞳孔網(wǎng)膜7黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。視神經(jīng)細胞黃斑中心凹神經(jīng)纖維盲斑大腦盲斑晶狀體人眼的構造剖視圖鞏膜角膜率都是不均勻的，由里層到外層逐漸減少，有利于提高脈絡膜成像質量。晶狀體的平均折射率為1.40，其周圍是毛狀肌虹膜瞳孔網(wǎng)膜似雙凸透鏡，是眼睛光學系統(tǒng)的成像元件，其密度和折射

能改變晶狀體的表面曲率，使人眼在看遠近不同的物體時。白內(nèi)障，嚴重時致盲?。↑S斑中心凹盲斑晶狀體9晶狀體在虹膜后面，是由兩個不同曲率的面組成的透明體，人眼的構構造剖視視圖鞏膜角膜角膜和晶晶狀體之之間的空空間稱為為前室；充滿1.336的水水狀液；；房水脈絡膜晶狀體和和網(wǎng)膜所所包圍的的空間稱稱為后室;充滿1.336的玻玻狀體；；叫玻璃體體，具有有支撐，，減震，，代謝作作用。玻璃體混混濁（飛飛蚊癥））虹膜瞳孔網(wǎng)膜黃斑中心心凹盲斑晶狀體前室后室人眼的構構造剖視視圖鞏膜角膜脈絡膜眼睛的像像方節(jié)點點與中心心凹的連連線為眼眼睛的視軸,在在觀察物物虹膜瞳孔網(wǎng)膜體時眼睛睛本能地地把物體體瞄準在在這根軸軸上。黃斑中心心凹盲斑晶狀體前室后室1.3761.3361.336光軸視軸從光學角角度看，，最主要要的是：：水晶體、、和瞳孔孔和視網(wǎng)網(wǎng)膜。人眼瞳孔孔水水晶晶體視視網(wǎng)膜膜眼睛和照照相機很很相似，，如果對對應起來來看：?????照相機光光闌鏡鏡頭頭底底片片照相機中中，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們感感覺為什什么還是是正立的的？這是視神神經(jīng)系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部作作用的結結果，相相當復雜雜，相當當奇妙?。榱朔奖惚?，人們們定義了了標準眼模型和簡約眼模型眼睛的調(diào)調(diào)節(jié)眼睛有兩兩類調(diào)節(jié)節(jié)功能：：視度調(diào)節(jié)節(jié)和瞳孔調(diào)節(jié)節(jié)。1．視度度調(diào)節(jié)遠近不同同的其他他物體，，物距不不同，則則不會成成像在視視網(wǎng)膜上上，這樣樣我們就就看不清清。要想看清清其他的的物體，，人眼就就要自動動地調(diào)節(jié)節(jié)眼睛中中晶狀體體的焦距距，使像像落在視視網(wǎng)膜上上。眼睛自動動改變焦焦距的過過程稱為為眼睛的調(diào)調(diào)節(jié)。正常人眼眼在完全全放松的的自然狀狀態(tài)下，，無限遠目目標成像像在視網(wǎng)網(wǎng)膜上，，即眼睛的像像方焦點點在視網(wǎng)網(wǎng)膜上。。在觀察近近距離物物體時，，人眼水水晶體周周圍肌肉肉收縮，，使水晶晶體前表表面半徑徑變?。ǎê蟊砻婊静蛔冏儯┭劬鈱W學系統(tǒng)的的焦距變變短，后焦點前前移，從而使該該物體的的像成在在視網(wǎng)膜膜上。當肌肉完完全放松松時（通通過調(diào)節(jié)節(jié)），眼眼睛所能能看清的的最遠的點點稱為遠點，其相應應的距離離稱為遠點距，以r表示（米米），正正常眼，，r無限限遠當肌肉在在最緊張張時（通通過調(diào)節(jié)節(jié)），眼眼睛所能能看清的的最近的點稱為近點，其相應應的距離離稱為近點距，以p表示明視距是是指正常常的眼睛睛在正常常照明（（約50勒克斯斯）下最方便和和最習慣慣的工作作距離，約250mm。它不同于于人眼的的近點距距，兩者者不能混混淆人眼的調(diào)節(jié)能力力是用遠點點距r的倒數(shù)和和近點距距p的倒數(shù)之之差來描描述，用用A來表示，，即A稱為眼睛睛的調(diào)節(jié)范圍圍或調(diào)節(jié)能力力。近點和遠遠點間l處，總能能清晰地地成像在在視網(wǎng)膜膜上。單位為米米，則其其倒數(shù)稱為視度，單位為為屈光度近點距倒倒數(shù)稱稱為近點視度度。在醫(yī)院和和眼鏡店店通常把把1屈光度度稱為100度度。人眼的調(diào)調(diào)節(jié)能力力隨年齡齡的增加加而變化化。隨著年齡齡的增大大，近點點位置往往遠移，，遠點位位置往近近移，因因而調(diào)節(jié)節(jié)范圍減減少。遠點距倒倒數(shù)稱稱為遠點視度度，正常眼在在肌肉完完全放松松的自然然狀態(tài)下下，能夠夠看清楚楚無限遠遠處的物物體，即即遠點應應在無限限遠（R=0）），像像方焦點點正好和和視網(wǎng)膜膜重合F'若不符合合這一條條件就是是非正正常眼，，或稱視力不正正常最常見的的有近視視眼和遠遠視眼所謂近視眼就是其遠遠點在眼眼睛前方方有限距離處（（r<0））這是由于于眼球太太長，像像方焦點點位于視視網(wǎng)膜的的前面所所致。因因此，只只有眼前前有限距距離處的的物體才才能成像像在視網(wǎng)網(wǎng)膜上。。對應著負視度，配上適適當?shù)呢撠摴饨苟榷妊坨R后后，即可可使無限限遠物體體成像于于眼睛的的遠點上上，然后后再經(jīng)眼眼睛成像像于網(wǎng)膜膜上，因而眼鏡鏡矯正了了眼睛的的缺陷。。近視度數(shù)數(shù)：眼睛睛遠點的的視度*100近視200，500度度：遠點點在0.5，0.2米米處，需要配戴戴眼鏡的的焦距為為-500mm，-200mm所謂遠視眼就是其遠遠點在眼眼睛之后后（r>0）），這是由于于眼球偏偏短，像像方焦點點位于視視網(wǎng)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會聚時時，才能能正好聚聚焦在視視網(wǎng)膜上上。對應著正正視度，，需以正透鏡來使其遠遠點恢復復到無限限遠瞳孔調(diào)節(jié)節(jié)（適應應特性））人眼還能能在不同同亮暗程程度的條條件下工工作。這就是人人眼的另另一個特特性，具有對對周圍空空間光亮亮情況適適應的過過程稱為為適應（即為瞳孔的調(diào)調(diào)節(jié)）。眼睛的虹虹膜可以以自動改改變瞳孔孔的大小小，以控控制眼睛睛的進光光亮（2mm~8mm)。在在設計目目視光學學儀器時時要充分分考慮與與眼瞳的的配合。。適應是一一種當周周圍照明明條件發(fā)發(fā)生變化化是眼睛睛所產(chǎn)生生的變態(tài)態(tài)過程，，可分為為對暗適應應和對光適應應兩種，前者發(fā)生生在光亮亮處到黑黑暗處的的時候，，后者發(fā)生生在自黑黑暗處到到光亮處處的時候候。三、眼睛睛的分辨辨率（分分辨本領領）所謂人眼的分分辨能力力指的是成成像在中中央凹區(qū)區(qū)時的分分辨能力力。眼睛能分分辨出兩兩個非常常近的點點的能力力稱為眼眼睛的分分辨率（（分辨本本領）人眼的分分辨率一一般用極限分辨辨角來表示。。人眼的分分辨率是是眼睛的的重要光光學特性性，同時時也是目目視光學學儀器設設計的重重要依據(jù)據(jù)之一。。用其它觀觀測設備備（如照照相機、、CCD等）替替代人眼眼時也可可據(jù)此作作為參考考。人眼剛能能將兩點點分開的的視角稱為眼睛睛的極限限分辨角角人眼分辨辨率與極限分辨辨角成反比關系受什么因因素影響響？分辨辨本領多多高？瞳孔的衍衍射極限限、感光光細胞的的大小，，眼鏡的的像差首先從人人眼的視視網(wǎng)膜結結構上來來分析：：眼睛在看看物空間間兩點時時，這兩兩點對眼眼睛物方節(jié)點點的張角成成為兩點點間的角距離或稱為視角如果這兩兩點的像像分別落落在被分分隔開的的兩個視視網(wǎng)膜細細胞上，，即得到到兩個點的的視覺由此可見見，眼睛睛的分辨辨率與視視網(wǎng)膜上上兩像點點距離及視覺細細胞的直徑大小有關關當兩像點點的間距距大于（（或等于于）視覺覺細胞的的直徑時時，就認認為眼睛睛可以分分辨。人眼的極極限分辨辨角可表示為為（rad）所以人眼眼的極限限分辨角角可表示示為（rad）ε—眼睛睛的極限限分辨角角(rad)；η′—視覺覺細胞的的直徑，，約為0.006mm；xj′—像方方節(jié)點到到視網(wǎng)膜膜的距離離應為而當眼睛睛處于放放松狀態(tài)態(tài)時，f=-17.1mm。。上式可可得：（秒）可以看出出，極限限分辨角角不僅與與入射光光線的波波長有關關，而且且還與眼眼睛的瞳瞳孔直徑徑有關。ε=50~120”；在良好的照照明條件件下，一般般認為ε=60”=1’認為人眼的極極限分辨辨角為1′。在設計光光學系統(tǒng)統(tǒng)時就必必須考慮慮眼睛的的分辨率率。瞳孔衍射射的極限限分辨角角度：視力、視視力表、、驗光儀儀ABD1Bb2a2b1a1BD2(1)體體視視效應(2)體體視視銳度眼睛在觀觀察物體體時，除除了一般般的物體體特征外外，還能能夠產(chǎn)生生遠近的的感覺，，被稱為為“空間深度度感覺”單眼或雙雙眼都能能產(chǎn)生這這種感覺覺單眼深度度感覺來來源：1）物體體高度已已知，它它所對應應的視角角大小來來判斷其其遠近2）物體體之間的的遮蔽關關系和陽陽光的陰陰影來判判斷它們們相對位位置3）對物物體細節(jié)節(jié)的鑒別別程度和和空氣的的透明度度所產(chǎn)生生的深度度感覺4）眼睛睛的調(diào)節(jié)節(jié)程度來來判斷物物體的遠遠近。立體視覺覺雙眼觀察察的深度度感覺除除上述因因素外：：5）物體體的距離離越近，，視軸之之間的夾夾角越大大，這種種感覺使使眼球發(fā)發(fā)生轉動動的肌肉肉緊張程程度就不不同，據(jù)據(jù)此就能能判斷物物體的遠遠近；6）雙眼眼立體視視覺（簡簡稱體視視）α稱為“視差角”BAαBαAa2b2a1b1Aαa1a2其極限值值稱為“體視銳度度”當A、B兩點距距離不等等時，或或產(chǎn)生了遠遠近的感感覺被稱為雙雙眼立體體視覺ABαAαBb2a2a1b1lbABαAαBb2a2a1b1約為10”，有可能能達到5”或3”當物點對對應的視視角差α等于時時，人人眼剛能能分辨出出它和無無限遠物物點之間間的距離離差別即反映了了人眼可可能分辨辨出物點點遠近的的最大距距離人眼瞳孔孔之間的的平均距距離為b=62mm，Lmax稱稱為立體視覺覺半徑視力銳度度、視力力表眼鏡能分分辨兩物物點的最最小距離離的能力力，視角角來衡量量。通常以1分視角角的標志志為基本本標志，，例如ESnellen視力力表，對對數(shù)視力力表視力的表表示方法法：小數(shù)法，，分數(shù)法法，5分分紀錄法法經(jīng)常需要要將一條條直線重重合到另另一條直直線，但但是，要使兩條條直線完完全重合合是不可可能的眼睛雖具具有發(fā)現(xiàn)現(xiàn)一個平平面上兩兩根平行行直線的的不重合合能力，，但也有有一定的的限度這個不重重合限度度的極限限值稱為人眼的對對準精度度。人眼的瞄瞄準精度度一般用用角度值來表示對準精度度即兩線寬的的幾何中心心線對人眼的的張角小于某一一角度值值α時，雖然然還存在著不重合合，但眼眼睛已經(jīng)經(jīng)認為是是完全重重合的，，這時α角度值即即為人眼瞄準準精度。人眼對于于線條的變變形或兩條線錯錯開造成的外外形變化化或比較兩條條線寬的的變化具有很高高的靈敏敏度。人眼通過過兩物的的比較發(fā)發(fā)現(xiàn)它們們外形變變化的能能力比分辨它們要強強得多。。形成對眼眼睛瞄準準有利的的條件。。瞄準精度度和分辨率是兩個概概念。又有一定定的聯(lián)系系，經(jīng)驗驗證明，，人眼的最最高瞄準準精度約約為分辨辨率的1/6至至1/10。1、兩實實線瞄準準±60"2、、兩兩實實線線端端部部瞄瞄準準±10~20"3、、雙雙線線平平分分或或對對稱稱瞄瞄準準±5~10"4、、虛虛線線壓壓測測件件輪輪廓廓邊邊緣緣±20~30"8.眼眼睛睛的的橫橫向向對對準準誤誤差差眼睛睛的的對對準準誤誤差差與與對對準準方方式式有有關關壓線

游標

夾線對準叉絲對準狹縫夾線叉絲對準對準準與與調(diào)調(diào)焦焦的的概概念念對準準：：垂直直于于瞄瞄準準軸軸方方向向上上目目標標比比較較標標記記重重合合或或置置中中的的過過程程調(diào)焦焦：：目標標和和比比較較標標記記在在沿沿瞄瞄準準軸軸方方向向上上重重合合或或置置中中的的過過程程2.對對準準誤誤差差1））、、用用望望遠遠鏡鏡觀觀察察2））、、用用顯顯微微鏡鏡觀觀察察在明明視視距距離離，，人人眼眼直直接接觀觀察察對對準準誤誤差差通過過顯顯微微鏡鏡觀觀察察二眼眼睛睛通通過過光光學學系系統(tǒng)統(tǒng)觀觀測測時時對對準準誤誤差差和和調(diào)調(diào)焦焦誤差差3.對對準準誤誤差差與與鑒鑒別別率率的的關關系系對準準：：目標標和和分分劃劃線線的的重重合合和和置置中中的的問問題題分辨辨：：分辨辨兩兩個個靠靠近近標標記記的的能能力力（1））望望遠遠鏡鏡的的理理論論分分辨辨率率（2））顯顯微微鏡鏡的的理理論論分分辨辨率率4、、調(diào)調(diào)焦焦誤誤差差A.望望遠遠鏡鏡觀觀察察1)、、清清晰晰度度法法aDb.物物理理景景深深(視視覺覺深深度度)RhR眼睛睛處處于于放放松松狀狀態(tài)態(tài)可可同同時時看看清清5米米至至無無限限遠遠的的物物體體A.望望遠遠鏡鏡觀觀察察2)、、消消視視差差法法B.顯顯微微鏡鏡觀觀察察1））清清晰晰度度法法

總的的調(diào)調(diào)焦焦誤誤差差2））消消視視差差法法5提提高高定定焦焦精精度度的的方方法法(1)將縱縱向向調(diào)調(diào)焦焦變變成成橫橫向向對對準準（半半透透鏡鏡視視角角筒筒））(2)利用用人人眼眼襯襯度度靈靈敏敏度度，，采采用用等等亮亮度度定定焦焦（雙雙星星點點法法））(3)利用用人人眼眼體體視視銳銳度度（10″″））將單單目目觀觀察察變變成成雙雙目目觀觀察察（立立體體視視差差儀儀））(4)光光電電對對準準消除除人人眼眼主主觀觀誤誤差差使使對對準準自自動動化化2.光光電電對對準準光電電探探測測不不僅僅可可以以代代替替眼眼睛睛進進行行對對準準、、定定焦焦和和讀讀數(shù)數(shù)；；還還可可以以大大大大提提高高對對準準、、定定焦焦準準確確度度；；實實現(xiàn)現(xiàn)測測量量的的自自動動化化，，提提高高工工作作效效率率，，而而且且是是實實現(xiàn)現(xiàn)計計算算機機實實時時控控制制和和處處理理的的前前提提。。目前前，，光光電電對對準準裝裝置置可可分分為為光光電電顯顯微微鏡鏡和和光光電電望望遠遠鏡鏡兩兩大大類類，，兩兩類類儀儀器器對對準準標標準準不不確確定定度度分分別別達達到到0.01μμm~0.02μμm和和0.05″″~0.1″″光電電對對準準分分類類：：光度式：普普通光度式式、差動光光度式相位式光電自準直望遠鏡工作原理測微器振動狹縫鑒別器放大器指零儀表光敏電阻目鏡分劃板分束棱鏡II分束棱鏡I十字線分劃板毛玻璃物鏡平面鏡光電對準定焦實質上上是確定物物鏡的最佳佳像面的位位置。事實上，確確定最佳像像面的標準準有多種，，如最高對比度度像面最高分辨率率像面最小波像差差像面最小彌散圓圓像面最大調(diào)制傳傳遞函數(shù)像像面點像光斑中中心照度最最大值像面面等。對于一個有有剩余像差差和加工誤誤差的實際際物鏡來說說，通常這這些像面并并不重合。。實驗確定定最佳像面面時，像面面位置還與與照明光源源的光譜成成分和接收收器的光譜譜靈敏度有有關。光電定焦光電定焦的的方法有多多種，如扇形光柵法法小孔光闌法法刀口檢驗法法MTF法等。這里以扇形形光柵法為為例介紹光光電定焦方方法。該方方法已廣泛泛用于測量量照相物鏡鏡的工作距距離（從最最佳像面到到物鏡框端端的距離））。同時，，還能測量量和研究其其它光學特特性，如彌彌散斑直徑徑、OTF、焦距等。。光電定焦M扇形光柵法定焦系統(tǒng)a）b）c）用扇形光柵柵確定像面面0amaxa0-0.200.2afφ50a（%）100Δd′Rdd’光電定焦9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。03:52:2403:52:2403:5212/29/20223:52:24AM11、以我獨沈沈久，愧君君相見頻。。。12月-2203:52:2403:52Dec-2229-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。03:52:2403:52:2403:52Thursday,December29,202213、乍乍見見翻翻疑疑夢夢，，相相悲悲各各問問年年。。。。12月月-2212月月-2203:52:2403:52:24December29,202214、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國國見青青山。。。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、行動動出成成果，，工作作出財財富。。。2022/12/293:52:2403:52:2429December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。3:52:24上午午3:52上午午03:52:2412月-229、沒有失失敗，只只有暫時時停止成成功！。。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結結果果，，但但是是不不努努力力卻卻什什么么改改變變也也沒沒有有。。。。03:52:2403:52:2403:5212/29/20223:52:24AM11、成成功功就就是是日日復復一一日日那那一一點點點點小小小小努努力力的的積積累累。。。。12月月-2203:52:2403:52Dec-2229-Dec-2212、世間間成事事，不不求其其絕對對圓滿滿，留留一份份不足足，可可得無無限完完美。。。03:52:2403:52:2403:52Thursday,December29,202213、不知香香積寺，，數(shù)里入入云峰。。。12月-2212月-2203:52:2403:52:24December29,202214、意志堅堅強的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。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，，荊荊門門九