光學(xué)測量基礎(chǔ)

1、第一章 光學(xué)測量基礎(chǔ),第二節(jié) 目視光學(xué)儀器的對準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差,光學(xué)測量,2,,1.眼睛的瞳孔De 2.視場2W 3.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/B ΔB目標(biāo)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(xué)儀器的對準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差,,,一、與光學(xué)測量有

2、關(guān)得人眼特性,3,第二節(jié) 目視光學(xué)儀器的對準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差,4,第二節(jié) 目視光學(xué)儀器的對準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差,5,人眼是非常精密的成像光學(xué)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(jié)構(gòu)——成像光學(xué)系統(tǒng),人眼本身相當(dāng)于攝影光學(xué)系統(tǒng)，在角膜和視網(wǎng)膜之間的生物構(gòu)造均可以看作成像元。,,第二節(jié) 目視光學(xué)儀器的對準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差,6,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,1 鞏膜是眼球的第一層保護(hù)膜，白色、不透明、堅(jiān)硬；,,角膜,,2

3、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(luò)膜,,3 脈絡(luò)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；,7,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,,角膜,,,脈絡(luò)膜,,虹膜,,4 虹膜是脈絡(luò)膜的最前端部分，含有色素細(xì)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--

4、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）,8,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,,角膜,,細(xì)胞（視錐/桿細(xì)胞），錐狀細(xì)胞直徑約5微米，長35微米；桿狀細(xì)胞直徑2微米,脈絡(luò)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(xì)胞和桿狀,是錐狀細(xì)胞的密集區(qū)而沒有桿狀細(xì)胞，由中心向外，逐漸相對變化；,黃斑中心凹,,9,,,人眼的構(gòu)造

5、剖視圖,鞏膜,,角膜,,光,脈絡(luò)膜,,8 盲斑（點(diǎn)）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(xì)胞,黃斑中心凹,,,,神經(jīng)纖維,,,盲斑,大腦,盲斑,,晶狀體,,10,,,人眼的構(gòu)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(luò)膜,,成像質(zhì)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

6、學(xué)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(yuǎn)近不同的物體時(shí)。白內(nèi)障，嚴(yán)重時(shí)致盲?。?黃斑中心凹,,,盲斑,,晶狀體,,9 晶狀體在虹膜后面，是由兩個(gè)不同曲率的面組成的透明體，,11,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,,角膜,,角膜和晶狀體之間的空間稱為前室；充滿1.336的水狀液；房水,脈絡(luò)膜,,晶狀體和網(wǎng)膜所包圍的空間稱為后室;充滿1.336的玻狀體； 叫玻璃體，具有支撐，減震，代謝作用。玻璃體混濁（飛蚊癥）,虹

7、膜,,瞳孔,,網(wǎng)膜,,,黃斑中心凹,,,,,盲斑,,晶狀體,,前室,,后室,,12,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,,角膜,,,脈絡(luò)膜,,眼睛的像方節(jié)點(diǎn)與中心凹的連線為眼睛的視軸, 在觀察物,虹膜,,瞳孔,,網(wǎng)膜,,,,體時(shí)眼睛本能地把物體瞄準(zhǔn)在這根軸上。,黃斑中心凹,,,,,盲斑,,晶狀體,,前室,,后室,,1.376,1.336,1.336,光軸,,,視軸,,13,,從光學(xué)角度看，最主要的是：水晶體、和瞳孔和視網(wǎng)膜。,人眼瞳孔

8、 水晶體 視網(wǎng)膜,眼睛和照相機(jī)很相似，如果對應(yīng)起來看：,? ? ? 照相機(jī)光闌 鏡頭 底片,照相機(jī)中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像,但我們感覺為什么還是正立的？,這是視神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部作用的結(jié)果，相當(dāng)復(fù)雜，相當(dāng)奇妙！,為了方便，人們定義了標(biāo)準(zhǔn)眼模型和簡約眼模型,14,眼睛的調(diào)節(jié),眼睛有兩類調(diào)節(jié)功能：視度調(diào)節(jié)和瞳孔調(diào)節(jié)。,1．視度調(diào)節(jié),遠(yuǎn)

9、近不同的其他物體，物距不同，則不會成像在視網(wǎng)膜上，這樣我們就看不清。,要想看清其他的物體，人眼就要自動地調(diào)節(jié)眼睛中晶狀體的焦距，使像落在視網(wǎng)膜上。,眼睛自動改變焦距的過程稱為眼睛的調(diào)節(jié)。,15,正常人眼在完全放松的自然狀態(tài)下，,無限遠(yuǎn)目標(biāo)成像在視網(wǎng)膜上，即眼睛的像方焦點(diǎn)在視網(wǎng)膜上。,在觀察近距離物體時(shí)，人眼水晶體周圍肌肉收縮，使水晶體前表面半徑變?。ê蟊砻婊静蛔儯?眼睛光學(xué)系統(tǒng)的焦距變短，后焦點(diǎn)前移，從而使該物體的像成在視網(wǎng)膜上。,當(dāng)

10、肌肉完全放松時(shí)（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為遠(yuǎn)點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱為遠(yuǎn)點(diǎn)距，以 r 表示（米），正常眼，r無限遠(yuǎn),當(dāng)肌肉在最緊張時(shí)（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點(diǎn)稱為近點(diǎn)，其相應(yīng)的距離稱為近點(diǎn)距，以 p 表示,16,明視距是指正常的眼睛在正常照明（約50勒克斯）下最方便和最習(xí)慣的工作距離，約250mm。,它不同于人眼的近點(diǎn)距，兩者不能混淆,人眼的調(diào)節(jié)能力是用遠(yuǎn)點(diǎn)距r的倒數(shù)和近點(diǎn)距p的倒數(shù)之差來描述，用A來表示，即,A稱為眼睛

11、的調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。,近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)間 l 處，總能清晰地成像在視網(wǎng)膜上。,單位為米，則其倒數(shù)稱為視度，單位為屈光度,17,近點(diǎn)距倒數(shù) 稱為近點(diǎn)視度。,在醫(yī)院和眼鏡店通常把1屈光度稱為100度。,人眼的調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而變化。,隨著年齡的增大，近點(diǎn)位置往遠(yuǎn)移，遠(yuǎn)點(diǎn)位置往近移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。,遠(yuǎn)點(diǎn)距倒數(shù) 稱為遠(yuǎn)點(diǎn)視度，,18,

12、正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無限遠(yuǎn)處的物體，即遠(yuǎn)點(diǎn)應(yīng)在無限遠(yuǎn)（R = 0）， 像方焦點(diǎn)正好和視網(wǎng)膜重合,,,,,,,,,,,F',,,,,,,,,,,若不符合這一條件就是 非正常眼，或稱視力不正常,最常見的有近視眼和遠(yuǎn)視眼,19,所謂近視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛前方有限距離處（r < 0）,這是由于眼球太長，像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的前面所致。因此，只有眼前有限距離處的物體才能成像在視網(wǎng)膜上。,對應(yīng)著負(fù)視度，配上適當(dāng)?shù)?/p>

13、負(fù)光焦度眼鏡后，即可使無限遠(yuǎn)物體成像于眼睛的遠(yuǎn)點(diǎn)上，然后再經(jīng)眼睛成像于網(wǎng)膜上，因而眼鏡矯正了眼睛的缺陷。,近視度數(shù)：眼睛遠(yuǎn)點(diǎn)的視度*100,近視200，500度：遠(yuǎn)點(diǎn)在0.5，0.2米處，需要配戴眼鏡的焦距為-500mm，-200mm,20,所謂遠(yuǎn)視眼就是其遠(yuǎn)點(diǎn)在眼睛之后（r > 0），,,,,,,,,,,,,,,,,,,這是由于眼球偏短，像方焦點(diǎn)位于視網(wǎng)膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是會聚時(shí)，才能正好聚焦在視網(wǎng)膜上。,

14、對應(yīng)著正視度，需以正透鏡來使其遠(yuǎn)點(diǎn)恢復(fù)到無限遠(yuǎn),21,瞳孔調(diào)節(jié)（適應(yīng)特性）,人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。,這就是人眼的另一個(gè)特性，具有對周圍空間光亮情況適應(yīng)的過程稱為適應(yīng)（即為瞳孔的調(diào)節(jié)）。,眼睛的虹膜可以自動改變瞳孔的大小，以控制眼睛的進(jìn)光亮（2mm~8mm)。在設(shè)計(jì)目視光學(xué)儀器時(shí)要充分考慮與眼瞳的配合。,適應(yīng)是一種當(dāng)周圍照明條件發(fā)生變化是眼睛所產(chǎn)生的變態(tài)過程，可分為對暗適應(yīng)和對光適應(yīng)兩種，前者發(fā)生在光亮處到黑暗處的時(shí)候，后者

15、發(fā)生在自黑暗處到光亮處的時(shí)候。,22,三、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）,所謂人眼的分辨能力指的是成像在中央凹區(qū)時(shí)的分辨能力。,眼睛能分辨出兩個(gè)非常近的點(diǎn)的能力稱為眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）,人眼的分辨率一般用極限分辨角來表示。,人眼的分辨率是眼睛的重要光學(xué)特性，同時(shí)也是目視光學(xué)儀器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。用其它觀測設(shè)備（如照相機(jī)、CCD等）替代人眼時(shí)也可據(jù)此作為參考。,23,人眼剛能將兩點(diǎn)分開的視角稱為眼睛的極限分辨角,人眼分辨率與極限分辨角成

16、反比關(guān)系,受什么因素影響？分辨本領(lǐng)多高？ 瞳孔的衍射極限、感光細(xì)胞的大小，眼鏡的像差,首先從人眼的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上來分析：,眼睛在看物空間兩點(diǎn)時(shí)，這兩點(diǎn)對眼睛物方節(jié)點(diǎn)的張角成為兩點(diǎn)間的角距離或稱為視角,24,如果這兩點(diǎn)的像分別落在被分隔開的兩個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞上，即得到兩個(gè)點(diǎn)的視覺,,,,,由此可見，眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩像點(diǎn)距離及視覺細(xì)胞的直徑大小有關(guān),當(dāng)兩像點(diǎn)的間距大于（或等于）視覺細(xì)胞的直徑時(shí)，就認(rèn)為眼睛可以分辨。,人眼的極限分辨角可

17、表示為,（rad）,25,所以人眼的極限分辨角可表示為,,,,（rad）,ε — 眼睛的極限分辨角( rad )；,η′ — 視覺細(xì)胞的直徑，約為0.006mm；,xj′— 像方節(jié)點(diǎn)到視網(wǎng)膜的距離,應(yīng)為,而當(dāng)眼睛處于放松狀態(tài)時(shí)，f = -17.1mm。上式可得：,（秒）,26,可以看出，極限分辨角不僅與入射光線的波長有關(guān)，而且還與眼睛的瞳孔直徑有關(guān)。,,,ε = 50~ 120”；在良好的照明條件下，一般認(rèn)為ε = 60” = 1’

18、認(rèn)為人眼的極限分辨角為1´。在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)就必須考慮眼睛的分辨率。,瞳孔衍射的極限分辨角度：,視力、視力表、驗(yàn)光儀,27,,,(1) 體視效應(yīng) (2) 體視銳度,28,眼睛在觀察物體時(shí)，除了一般的物體特征外，還能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)近的感覺，被稱為“空間深度感覺”單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺單眼深度感覺來源：1）物體高度已知，它所對應(yīng)的視角大小來判斷其遠(yuǎn)近2）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽光的陰影來判斷它們相對位置3）對物體細(xì)

19、節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深度感覺4）眼睛的調(diào)節(jié)程度來判斷物體的遠(yuǎn)近。,立體視覺,29,雙眼觀察的深度感覺除上述因素外：5）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種感覺使眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動的肌肉緊張程度就不同，據(jù)此就能判斷物體的遠(yuǎn)近；6）雙眼立體視覺（簡稱體視）α稱為“視差角”,30,其極限值 稱為“體視銳度”,當(dāng)A、B兩點(diǎn)距離不等時(shí)， 或產(chǎn)生了遠(yuǎn)近的感覺 被稱為雙眼立體視覺,約

20、為10”，有可能達(dá)到5”或3”,31,當(dāng)物點(diǎn)對應(yīng)的視角差α等于 時(shí)，人眼剛能分辨出它和無限遠(yuǎn)物點(diǎn)之間的距離差別即反映了人眼可能分辨出物點(diǎn)遠(yuǎn)近的最大距離人眼瞳孔之間的平均距離為b=62mm，Lmax稱為立體視覺半徑,32,33,34,,,35,,,36,,,37,,,38,視力銳度、視力表,眼鏡能分辨兩物點(diǎn)的最小距離的能力，視角來衡量。通常以1分視角的標(biāo)志為基本標(biāo)志，例如ESnellen 視力表，對數(shù)視力表 視

21、力的表示方法： 小數(shù)法，分?jǐn)?shù)法，5分紀(jì)錄法,39,經(jīng)常需要將一條直線重合到另一條直線，但是，要使兩條直線完全重合是不可能的,,,,,眼睛雖具有發(fā)現(xiàn)一個(gè)平面上兩根平行直線的不重合能力，但也有一定的限度這個(gè)不重合限度的極限值稱為人眼的對準(zhǔn)精度。,人眼的瞄準(zhǔn)精度一般用角度值來表示,對準(zhǔn)精度,40,即兩線寬的幾何中心線對人眼的張角小于某一角度值α?xí)r，雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認(rèn)為是完全重合的，這時(shí)α角度值即為人眼瞄準(zhǔn)精度。,,,

22、,,人眼對于線條的變形或兩條線錯(cuò)開造成的外形變化或比較兩條線寬的變化具有很高的靈敏度。人眼通過兩物的比較發(fā)現(xiàn)它們外形變化的能力比分辨它們要強(qiáng)得多。,41,形成對眼睛瞄準(zhǔn)有利的條件。,瞄準(zhǔn)精度和分辨率是兩個(gè)概念。,又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗(yàn)證明，人眼的最高瞄準(zhǔn)精度約為分辨率的1/6至1/10。,1、兩實(shí)線瞄準(zhǔn) ±60",2、兩實(shí)線端部瞄準(zhǔn)±10~20 ",3、雙線平分或?qū)ΨQ瞄準(zhǔn)±5~10&qu

23、ot;,4、虛線壓測件輪廓邊緣±20~30",42,,,,,8. 眼睛的橫向?qū)?zhǔn)誤差,眼睛的對準(zhǔn)誤差與對準(zhǔn)方式有關(guān),,,,,,,,,,,,,43,對準(zhǔn)與調(diào)焦的概念對準(zhǔn)：垂直于瞄準(zhǔn)軸方向上目標(biāo)比較標(biāo)記重合或置中的過程調(diào)焦：目標(biāo)和比較標(biāo)記在沿瞄準(zhǔn)軸方向上重合或置中的過程2.對準(zhǔn)誤差1）、用望遠(yuǎn)鏡觀察,,,2）、 用顯微鏡觀察在明視距離，人眼直接觀察對準(zhǔn)誤差,通過顯微鏡觀察,,,,,,,,,二　眼睛通過光學(xué)系統(tǒng)觀

24、測時(shí)對準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差,44,3.對準(zhǔn)誤差與鑒別率的關(guān)系 對準(zhǔn)：目標(biāo)和分劃線的重合和置中的問題 分辨：分辨兩個(gè)靠近標(biāo)記的能力,（1）望遠(yuǎn)鏡的理論分辨率,（2）顯微鏡的理論分辨率,,45,,,4、調(diào)焦誤差 A.望遠(yuǎn)鏡觀察 1)、清晰度法,,,,46,,,,b. 物理景深(視覺深度),眼睛處于放松狀態(tài)可同時(shí)看清5米至無限遠(yuǎn)的物體,,47,,A.望遠(yuǎn)鏡觀察 2)、消視差法,48,B.

25、 顯微鏡觀察 1）清晰度法,總的調(diào)焦誤差,2）消視差法,49,5 提高定焦精度的方法 (1) 將縱向調(diào)焦變成橫向?qū)?zhǔn)（半透鏡視角筒） (2) 利用人眼襯度靈敏度，采用等亮度定焦（雙星點(diǎn)法） (3) 利用人眼體視銳度（10″）將單目觀察變成雙目觀察（立體視差儀） (4) 光電對準(zhǔn)消除人眼主觀誤差使對準(zhǔn)自動化,,50,2. 光電對準(zhǔn),光電探測不僅可以代替眼睛進(jìn)行對準(zhǔn)、定焦和讀數(shù)；還可以大大提高對準(zhǔn)、定焦

26、準(zhǔn)確度；實(shí)現(xiàn)測量的自動化，提高工作效率，而且是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和處理的前提。目前，光電對準(zhǔn)裝置可分為光電顯微鏡和光電望遠(yuǎn)鏡兩大類，兩類儀器對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別達(dá)到0.01μm~0.02μm和0.05″~0.1″光電對準(zhǔn)分類：光度式：普通光度式、差動光度式相位式,,,,,,,,,,,,51,,,,,,,,,,,光電對準(zhǔn),52,,,,,,,,,,,定焦實(shí)質(zhì)上是確定物鏡的最佳像面的位置。事實(shí)上，確定最佳像面的標(biāo)準(zhǔn)有多種，如最高

27、對比度像面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。對于一個(gè)有剩余像差和加工誤差的實(shí)際物鏡來說，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)。,光電定焦,53,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。這里以扇形光柵法為例介紹光電定焦方法。該方法已廣泛用于測量照相物鏡的工作距離（從最佳像面