光学零件及光学系统焦距测量精.ppt

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1、光学零件及光学系统焦距测量第1页，本讲稿共23页光学元件的顶焦距光学元件的顶焦距光学元件的顶焦距光学元件的顶焦距被定义为平行于光轴的平行光束被定义为平行于光轴的平行光束被定义为平行于光轴的平行光束被定义为平行于光轴的平行光束经过光学系统后的会聚点（焦点）到光学系统最后一面经过光学系统后的会聚点（焦点）到光学系统最后一面经过光学系统后的会聚点（焦点）到光学系统最后一面经过光学系统后的会聚点（焦点）到光学系统最后一面顶点的距离。顶焦距通常又叫截距。顶点的距离。顶焦距通常又叫截距。顶点的距离。顶焦距通常又叫截距。顶点的距离。顶焦距通常又叫截距。测量焦距所依据的原理，主要都是几何光学中测量焦距所依据的

2、原理，主要都是几何光学中测量焦距所依据的原理，主要都是几何光学中测量焦距所依据的原理，主要都是几何光学中与焦距有关的基本公式（假定物、像空间都是空气与焦距有关的基本公式（假定物、像空间都是空气与焦距有关的基本公式（假定物、像空间都是空气与焦距有关的基本公式（假定物、像空间都是空气介质），常用的几个公式如下：介质），常用的几个公式如下：介质），常用的几个公式如下：介质），常用的几个公式如下：牛顿公式牛顿公式牛顿公式牛顿公式 ：正切条件公式正切条件公式正切条件公式正切条件公式 ：垂轴放大率（垂轴放大率（垂轴放大率（垂轴放大率（）公式）公式）公式）公式 ：第2页，本讲稿共23页2.3.2 光学零件及

3、光学系统焦距测量方法光学零件及光学系统焦距测量方法 序号序号测测 量量 方方 法法测测 量量 对对 象象比比 较较 说说 明明1 1放大率法放大率法望远镜物镜、照相物镜、望远镜物镜、照相物镜、目镜、正透镜和负透镜目镜、正透镜和负透镜设备简单、操作方便、使范围较设备简单、操作方便、使范围较大、准确度较高、目前最常用的大、准确度较高、目前最常用的方法方法2 2精密测角法精密测角法平行光管物镜平行光管物镜测量准确度高，用于平行光管物测量准确度高，用于平行光管物镜焦距的标定镜焦距的标定3 3附加接筒法附加接筒法显微镜物镜显微镜物镜测量准确度与放大率法差不多，测量准确度与放大率法差不多，适用于短焦距物镜

4、的测量适用于短焦距物镜的测量4 4特长焦距测量法特长焦距测量法焦距为几米到几百米的焦距为几米到几百米的物镜物镜测量准确度不高，设备简单测量准确度不高，设备简单5 5附加透镜法附加透镜法负透镜负透镜测量准确度与放大率法相当测量准确度与放大率法相当6 6节点法节点法较长焦距照相物镜较长焦距照相物镜测量准确度与放大率法相当，需测量准确度与放大率法相当，需要专用光学台要专用光学台7 7远距离物体成像法远距离物体成像法长焦距物镜长焦距物镜测量准确度不高，不需要专用测测量准确度不高，不需要专用测量设备量设备第3页，本讲稿共23页焦距测量时为达到预期的准确度，注意以下几点：焦距测量时为达到预期的准确度，注意

5、以下几点：焦距测量时为达到预期的准确度，注意以下几点：焦距测量时为达到预期的准确度，注意以下几点：平行光管、显微镜（或前置镜）的光轴与被测光学系统平行光管、显微镜（或前置镜）的光轴与被测光学系统平行光管、显微镜（或前置镜）的光轴与被测光学系统平行光管、显微镜（或前置镜）的光轴与被测光学系统的光轴应基本重合。的光轴应基本重合。的光轴应基本重合。的光轴应基本重合。通过被测光学系统光束充满指定的有效孔径。要求通过被测光学系统光束充满指定的有效孔径。要求通过被测光学系统光束充满指定的有效孔径。要求通过被测光学系统光束充满指定的有效孔径。要求观测系统不切割被测光学系统的成像光束。观测系统不切割被测光学系

6、统的成像光束。观测系统不切割被测光学系统的成像光束。观测系统不切割被测光学系统的成像光束。测量用平行光管焦距不小于被测光学系统焦距的测量用平行光管焦距不小于被测光学系统焦距的测量用平行光管焦距不小于被测光学系统焦距的测量用平行光管焦距不小于被测光学系统焦距的3 3 3 3倍。倍。倍。倍。测量时，应按被测光学系统实际工作状态安排测量测量时，应按被测光学系统实际工作状态安排测量测量时，应按被测光学系统实际工作状态安排测量测量时，应按被测光学系统实际工作状态安排测量光路。光路。光路。光路。测量焦距安置分划板时，应使光轴通过分划板刻线测量焦距安置分划板时，应使光轴通过分划板刻线测量焦距安置分划板时，应

7、使光轴通过分划板刻线测量焦距安置分划板时，应使光轴通过分划板刻线的对称中心。最外面一对刻线的间距应小于平光管物的对称中心。最外面一对刻线的间距应小于平光管物的对称中心。最外面一对刻线的间距应小于平光管物的对称中心。最外面一对刻线的间距应小于平光管物镜焦距的镜焦距的镜焦距的镜焦距的1/401/401/401/40。第4页，本讲稿共23页放大率法测量焦距和顶焦距放大率法测量焦距和顶焦距放大率法测量焦距和顶焦距放大率法测量焦距和顶焦距 这种方法主要用于测量望远镜物镜、照相物镜这种方法主要用于测量望远镜物镜、照相物镜这种方法主要用于测量望远镜物镜、照相物镜这种方法主要用于测量望远镜物镜、照相物镜和目镜

8、的焦距和顶焦距，也可用于生产中检验正、和目镜的焦距和顶焦距，也可用于生产中检验正、和目镜的焦距和顶焦距，也可用于生产中检验正、和目镜的焦距和顶焦距，也可用于生产中检验正、负透镜的焦距和顶焦距。负透镜的焦距和顶焦距。负透镜的焦距和顶焦距。负透镜的焦距和顶焦距。（一）测量原理（一）测量原理（一）测量原理（一）测量原理 本方法测量负透镜的焦距时，焦距计算公式：本方法测量负透镜的焦距时，焦距计算公式：本方法测量负透镜的焦距时，焦距计算公式：本方法测量负透镜的焦距时，焦距计算公式：第5页，本讲稿共23页图图2-25 2-25 光学元件焦距测量原理光学元件焦距测量原理(a)(a)(a)(a)正透镜正透镜(

9、b)(b)(b)(b)负透镜负透镜第6页，本讲稿共23页（二）测量仪器（二）测量仪器（二）测量仪器（二）测量仪器 放大率法测量焦距的专用仪器为焦距仪，此外也可以在放大率法测量焦距的专用仪器为焦距仪，此外也可以在放大率法测量焦距的专用仪器为焦距仪，此外也可以在放大率法测量焦距的专用仪器为焦距仪，此外也可以在光具座上应用本方法测量焦距。光具座上应用本方法测量焦距。光具座上应用本方法测量焦距。光具座上应用本方法测量焦距。焦距仪主要由平行光管、透镜夹持器和测量显微镜构焦距仪主要由平行光管、透镜夹持器和测量显微镜构焦距仪主要由平行光管、透镜夹持器和测量显微镜构焦距仪主要由平行光管、透镜夹持器和测量显微镜

10、构成。成。成。成。测量时将被测透镜装在透镜夹持器上，平行光管的分测量时将被测透镜装在透镜夹持器上，平行光管的分测量时将被测透镜装在透镜夹持器上，平行光管的分测量时将被测透镜装在透镜夹持器上，平行光管的分划刻线经平行光管物镜和被测透镜成像在被测透镜的焦面划刻线经平行光管物镜和被测透镜成像在被测透镜的焦面划刻线经平行光管物镜和被测透镜成像在被测透镜的焦面划刻线经平行光管物镜和被测透镜成像在被测透镜的焦面上，再经显微物镜成像在测微目镜的分划板上，测出分划上，再经显微物镜成像在测微目镜的分划板上，测出分划上，再经显微物镜成像在测微目镜的分划板上，测出分划上，再经显微物镜成像在测微目镜的分划板上，测出分

11、划板上这个像的大小，即可求出被测透镜的焦距。当显微镜板上这个像的大小，即可求出被测透镜的焦距。当显微镜板上这个像的大小，即可求出被测透镜的焦距。当显微镜板上这个像的大小，即可求出被测透镜的焦距。当显微镜看清被测透镜焦面上的刻线像时，记下显微镜的位置读数，看清被测透镜焦面上的刻线像时，记下显微镜的位置读数，看清被测透镜焦面上的刻线像时，记下显微镜的位置读数，看清被测透镜焦面上的刻线像时，记下显微镜的位置读数，然后轴向移动显微镜使之调焦在被测透镜的后表面上，再然后轴向移动显微镜使之调焦在被测透镜的后表面上，再然后轴向移动显微镜使之调焦在被测透镜的后表面上，再然后轴向移动显微镜使之调焦在被测透镜的后

12、表面上，再次记下显微镜的位置读数，两次读数之差即为被测透镜的次记下显微镜的位置读数，两次读数之差即为被测透镜的次记下显微镜的位置读数，两次读数之差即为被测透镜的次记下显微镜的位置读数，两次读数之差即为被测透镜的顶焦距。顶焦距。顶焦距。顶焦距。第7页，本讲稿共23页 图图2-26 2-26 焦距仪结构示意图焦距仪结构示意图 玻罗板玻罗板 1.1.1.1.平行光管平行光管 2.2.2.2.透镜夹持器透镜夹持器 3.3.3.3.测微目镜测微目镜第8页，本讲稿共23页显微物显微物镜放大镜放大率率 显微物显微物镜焦距镜焦距(mm)(mm)仪器常数仪器常数C C0 0焦距测量范围焦距测量范围（mmmm）y

13、 y1 1=13.75=13.75y y2 2=5.50=5.50y y3 3=2.75=2.75正透镜正透镜负透镜负透镜1 12 23 30.50.520020020205050100100505010001000-55-55-5505501 17171101025255050252512001200-20-20-1201205 525.725.72 25 510105 5240240-5-5-20-20设以设以设以设以 表示测微目镜的螺距，则的表示测微目镜的螺距，则的表示测微目镜的螺距，则的表示测微目镜的螺距，则的表示方式为，因此有表示方式为，因此有表示方式为，因此有表示方式为，因此有(2

14、-23)(2-23)式中，为仪器常数，以表示，于是式中，为仪器常数，以表示，于是式中，为仪器常数，以表示，于是式中，为仪器常数，以表示，于是 （2-242-24）第9页，本讲稿共23页（三）测量注意事项（三）测量注意事项（三）测量注意事项（三）测量注意事项 正透镜：焦距的最大值受仪器导轨长度限制；正透镜：焦距的最大值受仪器导轨长度限制；正透镜：焦距的最大值受仪器导轨长度限制；正透镜：焦距的最大值受仪器导轨长度限制；负透镜：受显微镜工作距离的限制。负透镜：受显微镜工作距离的限制。负透镜：受显微镜工作距离的限制。负透镜：受显微镜工作距离的限制。平行光管通光口径要大于被测透镜的有效口径；测平行光管通

15、光口径要大于被测透镜的有效口径；测平行光管通光口径要大于被测透镜的有效口径；测平行光管通光口径要大于被测透镜的有效口径；测量显微镜数值孔径大于或等于被测透镜相对孔径的量显微镜数值孔径大于或等于被测透镜相对孔径的量显微镜数值孔径大于或等于被测透镜相对孔径的量显微镜数值孔径大于或等于被测透镜相对孔径的一半，对于负透镜接近轴焦距。一半，对于负透镜接近轴焦距。一半，对于负透镜接近轴焦距。一半，对于负透镜接近轴焦距。第10页，本讲稿共23页（四）不确定度分析（四）不确定度分析（四）不确定度分析（四）不确定度分析 对焦距测量公式进行微分得：对焦距测量公式进行微分得：对焦距测量公式进行微分得：对焦距测量公式

16、进行微分得：(2-25)(2-25)(2-25)(2-25)1 13 3正正态态A A0.1%0.1%测量显微镜放大率误差引起的测量显微镜放大率误差引起的1 1矩矩形形A A0.00050.0005mmmm对准误差与估读误差引起的对准误差与估读误差引起的1 13 3正正态态A A0.00050.0005mmmm分划板刻线误差引起的分划板刻线误差引起的1 13 3正正态态A A0.1%0.1%平行光管物镜焦距标准误差引起的平行光管物镜焦距标准误差引起的灵灵敏敏系系数数K K值值分分布布评评定定方方法法不确定度来源不确定度来源不确不确定度定度分量分量第11页，本讲稿共23页根根根根据据据据上上上上

17、表表表表，当当当当选选选选用用用用分分分分划划划划板板板板刻刻刻刻线线线线为为为为20mm20mm20mm20mm，成成成成象象象象大大大大小小小小为为为为5mm5mm5mm5mm时时时时，可可可可算算算算得得得得放放放放大大大大率率率率法法法法测测测测量量量量焦焦焦焦距距距距时时时时的的的的相相相相对对对对合合合合成成成成标标标标准准准准不确定度为。不确定度为。不确定度为。不确定度为。相对扩展不确定度为相对扩展不确定度为相对扩展不确定度为相对扩展不确定度为 第12页，本讲稿共23页精密测角法测量焦距精密测角法测量焦距精密测角法测量焦距精密测角法测量焦距 这种方法主要用于准确测量长焦平行光管物

18、镜的焦距。这种方法主要用于准确测量长焦平行光管物镜的焦距。这种方法主要用于准确测量长焦平行光管物镜的焦距。这种方法主要用于准确测量长焦平行光管物镜的焦距。它是常用方法中最准确的方法。它是常用方法中最准确的方法。它是常用方法中最准确的方法。它是常用方法中最准确的方法。（一）测量方法与设备（一）测量方法与设备（一）测量方法与设备（一）测量方法与设备 在被测物镜的焦平面上，垂直于光轴设置一玻璃在被测物镜的焦平面上，垂直于光轴设置一玻璃在被测物镜的焦平面上，垂直于光轴设置一玻璃在被测物镜的焦平面上，垂直于光轴设置一玻璃分划板。其中分划板。其中分划板。其中分划板。其中A A A A和和和和B B B B

19、是它上面的两条已知间隔为的是它上面的两条已知间隔为的是它上面的两条已知间隔为的是它上面的两条已知间隔为的刻线。该两刻线对称位于被测物镜光轴两侧，它们对刻线。该两刻线对称位于被测物镜光轴两侧，它们对刻线。该两刻线对称位于被测物镜光轴两侧，它们对刻线。该两刻线对称位于被测物镜光轴两侧，它们对物镜主点的张角为物镜主点的张角为物镜主点的张角为物镜主点的张角为2222，则当分划板被照亮后，刻线，则当分划板被照亮后，刻线，则当分划板被照亮后，刻线，则当分划板被照亮后，刻线A A A A和和和和B B B B发出的光束经被测物镜成为两束夹角为发出的光束经被测物镜成为两束夹角为发出的光束经被测物镜成为两束夹角

20、为发出的光束经被测物镜成为两束夹角为2222的平行的平行的平行的平行光。用测角仪器上的望远镜先后对准刻线光。用测角仪器上的望远镜先后对准刻线光。用测角仪器上的望远镜先后对准刻线光。用测角仪器上的望远镜先后对准刻线A A A A和和和和B B B B，望远，望远，望远，望远镜转过的角度为镜转过的角度为镜转过的角度为镜转过的角度为2222，则被测物镜焦距为：，则被测物镜焦距为：，则被测物镜焦距为：，则被测物镜焦距为：第13页，本讲稿共23页 图图 2-272-272-272-27 精密测角法测量焦距精密测角法测量焦距 1 1 1 1-度盘；度盘；2 2 2 2-被测物镜；被测物镜；3 3 3 3-

21、刻线尺；刻线尺；4 4 4 4-望远镜望远镜 图图 2-282-282-282-28 平行光管物镜焦距的测量平行光管物镜焦距的测量 1 1 1 1-分划板；分划板；2 2 2 2-平行光管；平行光管；3 3 3 3-物镜；物镜；4 4 4 4-经纬仪经纬仪 第14页，本讲稿共23页（二）不确定度分析（二）不确定度分析（二）不确定度分析（二）不确定度分析 在精密测角法中，引起焦距测量误差因素主在精密测角法中，引起焦距测量误差因素主在精密测角法中，引起焦距测量误差因素主在精密测角法中，引起焦距测量误差因素主要为刻线尺的间隔的标准不确定度及角度要为刻线尺的间隔的标准不确定度及角度要为刻线尺的间隔的标

22、准不确定度及角度要为刻线尺的间隔的标准不确定度及角度测量的标准不确定度，于是焦距的测量标准测量的标准不确定度，于是焦距的测量标准测量的标准不确定度，于是焦距的测量标准测量的标准不确定度，于是焦距的测量标准不确定度可表示为：不确定度可表示为：不确定度可表示为：不确定度可表示为：（2-262-26）第15页，本讲稿共23页数字图像法测量焦距原理及实验装置数字图像法测量焦距原理及实验装置数字图像法测量焦距原理及实验装置数字图像法测量焦距原理及实验装置液晶分划置于平行光管物镜焦平面上，液晶分划置于平行光管物镜焦平面上，液晶分划置于平行光管物镜焦平面上，液晶分划置于平行光管物镜焦平面上，CCDCCDCC

23、DCCD靶面靶面靶面靶面垂直光轴置于被测光学系统的后焦面附近，由计算机垂直光轴置于被测光学系统的后焦面附近，由计算机垂直光轴置于被测光学系统的后焦面附近，由计算机垂直光轴置于被测光学系统的后焦面附近，由计算机控制实现：液晶分划图形的发生、光电自动定焦、分控制实现：液晶分划图形的发生、光电自动定焦、分控制实现：液晶分划图形的发生、光电自动定焦、分控制实现：液晶分划图形的发生、光电自动定焦、分划图像的采集、数字图像的分析与处理以及测试结果划图像的采集、数字图像的分析与处理以及测试结果划图像的采集、数字图像的分析与处理以及测试结果划图像的采集、数字图像的分析与处理以及测试结果的输出。的输出。的输出。

24、的输出。图图1-29 1-29 一种数字图像法测量焦距的总体布局一种数字图像法测量焦距的总体布局 第16页，本讲稿共23页 数字图像法是通过图象处理及机电控制进行光电自数字图像法是通过图象处理及机电控制进行光电自数字图像法是通过图象处理及机电控制进行光电自数字图像法是通过图象处理及机电控制进行光电自动定焦后计算出线对间距并自动计算出焦距。其中，关键动定焦后计算出线对间距并自动计算出焦距。其中，关键动定焦后计算出线对间距并自动计算出焦距。其中，关键动定焦后计算出线对间距并自动计算出焦距。其中，关键之一，光电自动定焦的有效性和重复性；关键之二，从图之一，光电自动定焦的有效性和重复性；关键之二，从图

25、之一，光电自动定焦的有效性和重复性；关键之二，从图之一，光电自动定焦的有效性和重复性；关键之二，从图像中准确计算线对间距数值；关键之三，测量装置的标定。像中准确计算线对间距数值；关键之三，测量装置的标定。像中准确计算线对间距数值；关键之三，测量装置的标定。像中准确计算线对间距数值；关键之三，测量装置的标定。图图1-30 1-30 数字图像和实际像的对应关系数字图像和实际像的对应关系 第17页，本讲稿共23页 图图图图1-301-301-301-30表示了分划图形、表示了分划图形、表示了分划图形、表示了分划图形、CCDCCDCCDCCD靶面位置上的分划像靶面位置上的分划像靶面位置上的分划像靶面位

26、置上的分划像和采集到的数字图像之间的关系。分划图形线对间距为和采集到的数字图像之间的关系。分划图形线对间距为和采集到的数字图像之间的关系。分划图形线对间距为和采集到的数字图像之间的关系。分划图形线对间距为 ，分划像线对间距为，分划像线对间距为，分划像线对间距为，分划像线对间距为 ，数字图像是灰度值分布的矩阵，数字图像是灰度值分布的矩阵，数字图像是灰度值分布的矩阵，数字图像是灰度值分布的矩阵，其中线对间距对应像素数其中线对间距对应像素数其中线对间距对应像素数其中线对间距对应像素数 r r。r r 和和和和 之间存在一个比例之间存在一个比例之间存在一个比例之间存在一个比例系数系数系数系数 ，即，即

27、，即，即 （2-272-272-272-27）用用用用 表示液晶屏的像素间距，表示液晶屏的像素间距，表示液晶屏的像素间距，表示液晶屏的像素间距，表示分划图形间距对表示分划图形间距对表示分划图形间距对表示分划图形间距对应的液晶像素数。于是根据放大率法原理，透镜焦距应的液晶像素数。于是根据放大率法原理，透镜焦距应的液晶像素数。于是根据放大率法原理，透镜焦距应的液晶像素数。于是根据放大率法原理，透镜焦距 可表示为可表示为可表示为可表示为 （2-282-282-282-28）式中式中式中式中 值可通过数字图像的算法求得，值可通过数字图像的算法求得，值可通过数字图像的算法求得，值可通过数字图像的算法求得

28、，是一个是一个是一个是一个常数，可用焦距标准透镜常数，可用焦距标准透镜常数，可用焦距标准透镜常数，可用焦距标准透镜 （下标（下标（下标（下标stdstdstdstd表示标准透镜）表示标准透镜）表示标准透镜）表示标准透镜）精细标定，进而由上式算出焦距精细标定，进而由上式算出焦距精细标定，进而由上式算出焦距精细标定，进而由上式算出焦距 。第18页，本讲稿共23页序号序号参数名称参数名称测量范围测量范围精度指标精度指标1 1视场视场35350.50.52 2焦距焦距2020350 mm350 mm0.5%0.5%3 3轴上分辨率（不同照度）轴上分辨率（不同照度）101012012066轴外分辨率（不

29、同照度）轴外分辨率（不同照度）1515120120884 4像面均匀性像面均匀性0 050%50%5%5%5 5光电转换函数（灰度）光电转换函数（灰度）0 01.01.05%5%6 6系统畸变系统畸变0 0 35%35%0.5%0.5%7 7信噪比信噪比0 060dB60dB1 12dB2dB8 8光轴一致性光轴一致性0 0101055“电视跟踪摄像机性能参数综合测试仪电视跟踪摄像机性能参数综合测试仪”光电性能主要参数的测量技术指标光电性能主要参数的测量技术指标 第19页，本讲稿共23页图图 电视跟踪摄像机性能参数综合测试仪工作原理电视跟踪摄像机性能参数综合测试仪工作原理 第20页，本讲稿共2

30、3页图图 电视跟踪摄像系统光电主要参数测量光学原理电视跟踪摄像系统光电主要参数测量光学原理 第21页，本讲稿共23页图图 电视跟踪摄像系统性能参数综合测试仪三维构成图电视跟踪摄像系统性能参数综合测试仪三维构成图 第22页，本讲稿共23页图图 连续变焦电视系统综合调试设备系统工作原理图连续变焦电视系统综合调试设备系统工作原理图多维调整台多维调整台多维调整台多维调整台主控制系统模块主控制系统模块图像采集处理模块图像采集处理模块靶标发生器模块靶标发生器模块反射式平行反射式平行光管光管光学靶标和电子靶标光学靶标和电子靶标积分球积分球光源与工作电源光源与工作电源采集与数据处采集与数据处理系统理系统显视器显视器计算机计算机调整台与转台控制器调整台与转台控制器像分析平台控制器像分析平台控制器光源控制器光源控制器被测光电系统被测光电系统被测光学系统被测光学系统光学平台光学平台像分析器像分析器第23页，本讲稿共23页