(光學(xué)測量技術(shù))第1章光學(xué)測量基礎(chǔ)知識(shí)

第1章光學(xué)測量基礎(chǔ)知識(shí)１．１測量的基本知識(shí)１．２測量誤差及數(shù)據(jù)處理１．３人眼及目視光學(xué)儀器的瞄準(zhǔn)誤差１．４光電瞄準(zhǔn)技術(shù)本章小結(jié)思考題與習(xí)題

本章首先介紹光學(xué)測量的基礎(chǔ)知識(shí)、誤差來源及數(shù)據(jù)分析的方法，其次重點(diǎn)介紹人眼的特性及目視光學(xué)儀器的瞄準(zhǔn)誤差，最后介紹目前較新的光電瞄準(zhǔn)技術(shù)。

教學(xué)目的

1.掌握光學(xué)測量的基本概念和測量方法的組成要素。

2.掌握測量的分類及基本物理量和單位。

3.掌握測量過程中誤差來源分析和測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法。

4.掌握人眼及目視光學(xué)儀器的瞄準(zhǔn)誤差。

5.掌握光電瞄準(zhǔn)技術(shù)的原理及方法。

技能要求

1.能夠根據(jù)測量目的，合理選擇測量方法。

2.掌握等精度測量的數(shù)據(jù)處理方法。

3.掌握目視光學(xué)儀器瞄準(zhǔn)誤差的計(jì)算方法。

4.掌握光電瞄準(zhǔn)技術(shù)的基本原理。

1.1測量的基本知識(shí)

1.1.1測量的概念測量就是將被測量與一個(gè)作為計(jì)量單位的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，并確定出被測量是計(jì)量單位的幾倍或幾分之幾的過程。若以L表示被測量，

E表示計(jì)量單位，則比值為于是，只要讀出q值，就可得出測量結(jié)果:

1.1.2基本物理量及其單位

物理量是物理學(xué)中量度物體屬性或描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化過程的量，它們通過物理定律及其方程建立相互間的關(guān)系。目前，在實(shí)踐中引入的物理量的量綱是由國際單位制

規(guī)定的七種基本物理量導(dǎo)出的。國際單位制的基本物理量有長度、質(zhì)量、時(shí)間、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量和發(fā)光強(qiáng)度，見表1－1。

在國際單位制的有專門名稱的導(dǎo)出單位中，與光學(xué)測量緊密相關(guān)的有兩種，即光通量和光照度，見表1－2。

1.1.3測量方法的組成

測量方法是對(duì)特定的測量對(duì)象測量某一被測量時(shí)，參與測量過程的各組成因素和測量條件的總和。它包括以下幾個(gè)方面:

(1)測量目的、被測對(duì)象和被測量:測量目的是指最終要求得的那個(gè)量;被測量是指直接與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較的量，它本身也可以是測量目的;被測對(duì)象是指被測量的載體。以上三者都是確定測量方法的依據(jù)。

(2)標(biāo)準(zhǔn)量系統(tǒng):是指用以體現(xiàn)測量單位的物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，用來與被測量進(jìn)行比較，以便求得被測量。

(3)定位系統(tǒng):用以確定被測量的合理位置。

(4)瞄準(zhǔn)系統(tǒng):用以確定被測量相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)量的位置，以便進(jìn)行比較。

(5)顯示系統(tǒng):將測得量進(jìn)行運(yùn)算，并顯示出測量結(jié)果或作為控制信號(hào)的輸出。

(6)測量條件:任何測量都是在一定的條件下進(jìn)行的，如環(huán)境、溫度、濕度、壓力、時(shí)間等。

由此可知，在擬定了測量方案之后，完成一個(gè)測量過程通常需要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟:

(1)定位。定位就是按測量原則調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)量和被測量至合適的位置。由于定位對(duì)測量原則的偏離將造成測量誤差，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)、選擇合適的定位方法。

(2)瞄準(zhǔn)。為了進(jìn)行比較，定位之后，必須使被測量的一個(gè)端點(diǎn)或該端點(diǎn)的像與標(biāo)準(zhǔn)量的某一位置重合，稱為瞄準(zhǔn)。瞄準(zhǔn)是測量過程中基本的步驟之一，只有瞄準(zhǔn)后，才能由標(biāo)準(zhǔn)量上讀出被測量的大小。瞄準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差將直接影響測量的精度，為了減小瞄準(zhǔn)誤差，必須要設(shè)計(jì)較好的瞄準(zhǔn)方法。

(3)讀數(shù)。瞄準(zhǔn)之后，我們并沒有得到關(guān)于被測量的數(shù)量概念，這只有在對(duì)兩個(gè)瞄準(zhǔn)位置讀數(shù)(在標(biāo)準(zhǔn)量上)之后才有可能。讀數(shù)是將瞄準(zhǔn)位置用數(shù)字形式確定下來，就是瞄準(zhǔn)位置的數(shù)字表現(xiàn)形式。讀數(shù)也會(huì)產(chǎn)生誤差，同樣影響測量的精度，因此，還必須研究提高

(4)數(shù)據(jù)處理。得到測量的原始數(shù)據(jù)之后，就可求得被測量的大小，并可按測量原理方程式求得測量目的。同時(shí)，還要考慮到測量環(huán)境對(duì)測量結(jié)果的影響而進(jìn)行必要的修正。最后，依據(jù)測量誤差理論給出測量結(jié)果。目前，在一些自動(dòng)化檢測設(shè)備中，讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理都由儀器自動(dòng)完成，并顯示最后的測量結(jié)果，或作為控制信號(hào)輸出。

1.1.4測量的分類

對(duì)測量的分類可以從以下幾個(gè)不同的角度進(jìn)行。

1.按獲得測量結(jié)果的方式分類

從獲得測量結(jié)果的方式來分，測量可分為直接測量和間接測量。

直接測量:測量目的就是被測量，此時(shí)，測量目的直接與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而求得測量目的的大小。

間接測量:在這種測量中，被測量不是測量目的。測量目的的大小，是通過與它有一定關(guān)系的被測量的測量，而間接地按已知的函數(shù)關(guān)系求得的。

2.按比較方式分類

按照比較方式的不同，測量可分為絕對(duì)測量和相對(duì)測量。

絕對(duì)測量:通過與絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)的測量稱為絕對(duì)測量。

相對(duì)測量:通過與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)的測量稱為相對(duì)測量。相對(duì)測量直接得到的是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。

3.按接觸形式分類

按照接觸形式的不同，測量可分為接觸測量和非接觸測量。

接觸測量:測量時(shí)，瞄準(zhǔn)是通過量具或者量儀的觸端與被測對(duì)象發(fā)生機(jī)械接觸來實(shí)現(xiàn)的。

非接觸測量:測量時(shí)，瞄準(zhǔn)不是通過量具或量儀與被測對(duì)象發(fā)生機(jī)械接觸，而是通過與其它介質(zhì)(光、氣流等)接觸來實(shí)現(xiàn)的，或者說測量過程中的瞄準(zhǔn)是非機(jī)械式的。

4.按測量目的的數(shù)目多少分類

按照測量目的數(shù)目的不同，測量可分為獨(dú)立測量和組合測量。

獨(dú)立測量:只有一個(gè)量作為測量目的的測量。一般說來，它的測量原理可用一個(gè)方程式來表示。

組合測量:測量目的為兩個(gè)及兩個(gè)以上的測量。此時(shí)，測量原理必須用方程組來表示。

5.按測量時(shí)所處的條件分類

按照測量時(shí)所處條件的不同，測量可分為等精度測量和非等精度測量。

等精度測量:在同一條件下進(jìn)行的一系列重復(fù)測量，稱為等精度測量。如每次測量都使用相同的方法、相同的儀器、在同樣的環(huán)境下進(jìn)行，而且每次都以同樣的細(xì)心和注意程

度來工作等。

非等精度測量:在多次測量中，進(jìn)行每一次測量時(shí)，若對(duì)測量結(jié)果精確度有影響的一切條件不能完全維持不變，則所進(jìn)行的一系列重復(fù)測量稱為非等精度測量。

6.按實(shí)用情況分類

按實(shí)用情況的不同，測量可分為實(shí)驗(yàn)室測量和技術(shù)測量。

實(shí)驗(yàn)室測量:這類測量需要考慮測量誤差的數(shù)值，其任務(wù)是給出測量誤差的值。

技術(shù)測量:這類測量只需要考慮誤差的上限值，而不考慮誤差的具體值，其任務(wù)是給出測量目的的最佳值及誤差的極限值。

除了上述對(duì)測量進(jìn)行的分類外，還可按測量時(shí)被測量所處的狀態(tài)，將測量分為靜態(tài)測量和動(dòng)態(tài)測量，這里不再詳述。

1.2測量誤差及數(shù)據(jù)處理

1.2.1量的真值和殘值量的真值是指一個(gè)量在被測量時(shí)，該量本身所具有的真實(shí)大小。量的真值是一個(gè)理想概念，一般來說真值是不知道的。在實(shí)際測量中，常用被測量的實(shí)際值或已修正過的算術(shù)平均值代替真值。所謂實(shí)際值，就是滿足規(guī)定準(zhǔn)確度的用來代替真值使用的量值。殘值也叫殘差，是指測量列中的一個(gè)測得值ai

和該列的算術(shù)平均值a之間的差值vi

，即

v

i

=ai

–a

(1－3)

1.2.2測量誤差的來源和分類

總的來說，測量誤差產(chǎn)生的原因可歸納為以下幾種:

(1)測量裝置誤差:來源于讀數(shù)或示值裝置誤差、基準(zhǔn)器(或標(biāo)準(zhǔn)件)誤差、附件(如光源、水準(zhǔn)器、調(diào)整件等)誤差和光電探測電路誤差等，按其表現(xiàn)形式可分為機(jī)構(gòu)誤差、調(diào)整

誤差、量值誤差和變形誤差等。

(2)環(huán)境誤差:溫度、濕度、氣壓、照明等與要求的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)不一致或由于振動(dòng)、電磁干擾等導(dǎo)致的誤差。

(3)方法誤差:由于測量采用的數(shù)學(xué)模型不完善，利用近似測量方法等引起的誤差。

(4)人員誤差:由于人眼分辨率限制、操作者技術(shù)水平不高和固有習(xí)慣、感覺器官的生理變化等引起的誤差。

有時(shí)候被測件本身的變化也可造成誤差。

測量誤差按其特點(diǎn)和性質(zhì)，可分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差(隨機(jī)誤差)和粗大誤差三類。

(1)系統(tǒng)誤差:在偏離測量規(guī)定條件時(shí)或由于測量方法所引入的因素，按某確定規(guī)律引起的誤差。

系統(tǒng)誤差可按對(duì)誤差掌握程度分為已定系統(tǒng)誤差(大小和符號(hào)已知)和未定系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差可用理論分析或?qū)嶒?yàn)方法判斷，對(duì)已定系統(tǒng)誤差用加修正值的方法消除。

(2)偶然誤差:也稱隨機(jī)誤差，是指在實(shí)際測量條件下，多次測量同一量時(shí)，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)定的方式變化的誤差。但偶然誤差就整體而言是符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。

(3)粗大誤差:超出規(guī)定條件下預(yù)期的誤差。如讀錯(cuò)或記錯(cuò)數(shù)據(jù)、儀器調(diào)整錯(cuò)誤、實(shí)驗(yàn)條件突變等引起的誤差。含有粗大誤差的測量值應(yīng)當(dāng)刪除。

1.2.3偶然誤差的評(píng)價(jià)

對(duì)于偶然誤差的評(píng)價(jià)，由于單個(gè)誤差的出現(xiàn)沒有規(guī)律性，因此采用標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均誤差、或然誤差及極限誤差等表明某條件下一組測量數(shù)據(jù)的精密度。其中，常用的是標(biāo)準(zhǔn)偏

差和極限誤差。

測量列中單次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ0

是表征同一被測量值的

n次測量所得結(jié)果分散性的參數(shù)，按下式計(jì)算:

式中:di為測量得值與被測量真值之差。

極限誤差是指各誤差實(shí)際上不應(yīng)超過的界限。極限誤差由±tδ0

確定，

t

為系數(shù)，它由偶然誤差分布決定。偶然誤差主要有以下三種分布。

1.正態(tài)分布

當(dāng)由測量過程中多個(gè)互不相關(guān)的因素引起測量值微量變化而形成偶然誤差時(shí)，量值的誤差分布服從正態(tài)分布。由于大多數(shù)偶然誤差服從正態(tài)分布，所以正態(tài)分布是極其重要和

有用的。

正態(tài)分布具有如下特征:

對(duì)稱性:絕對(duì)值相等的正誤差和負(fù)誤差的概率相等。

單峰性:絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的概率大。

有界性:在一定的測量條件下，偶然誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過一定的限度。

抵償性:偶然誤差的算術(shù)平均值隨著測量次數(shù)的不斷增加而趨于零，即

正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ0

和極限誤差Δ的關(guān)系為

2.等概率分布

等概率分布又稱均勻分布，偶然誤差在區(qū)間[-Δ，

+Δ]內(nèi)各處出現(xiàn)的概率相等，區(qū)間外概率為零。顯微鏡或望遠(yuǎn)鏡對(duì)物體進(jìn)行調(diào)焦時(shí)，調(diào)焦在景深范圍內(nèi)任一點(diǎn)，像均是清晰

的，超出景深范圍就不清晰了，所以調(diào)焦誤差服從等概率分布。

等概率分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ0和極限誤差Δ的關(guān)系為

1.2.4算術(shù)平均值和殘差

對(duì)某一量進(jìn)行一系列等精度測量，測得值為

x1

，

x2

，…，

xn

取算術(shù)平均值，有

此時(shí)式(1－3)中的vi

應(yīng)為偶然誤差δi

，由該式求和得

由于偶然誤差的抵償性，當(dāng)n→∞時(shí)，

，故

可見，當(dāng)測量次數(shù)n無限增大時(shí)，算術(shù)平均值趨于真值。當(dāng)測量次數(shù)有限時(shí)，可把算術(shù)平均值近似地視為真值。因此，測量中用算術(shù)平均值表征真值。

各測得值與算術(shù)平均值之差代表殘差。殘差有以下兩個(gè)性質(zhì):

(1)當(dāng)n→∞時(shí)，殘差代數(shù)和為零，即

(2)殘差的平方和為最小，即

1.2.5算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差

真值往往是無法確切知道的，只能用算術(shù)平均值代替真值，又由于測量次數(shù)總是有限的，因此標(biāo)準(zhǔn)偏差只能由殘差計(jì)算出的所謂標(biāo)準(zhǔn)偏差來估計(jì)。

在有限次數(shù)的測量中，用殘差求出的σ

估計(jì)σ0

的計(jì)算公式如下:

算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差最佳估計(jì)值σx

為

1.2.7粗大誤差的判斷

常用的粗大誤差判斷準(zhǔn)則有五種:拉依達(dá)(PauTa)準(zhǔn)則、格拉布斯(Grubbs)準(zhǔn)則、肖維勒(Chauvenet)準(zhǔn)則、狄克遜(Dicon)準(zhǔn)則和T檢驗(yàn)準(zhǔn)則。

T檢驗(yàn)準(zhǔn)則的判斷步驟如下:

(1)將測得值由小到大排列為x1

，

x2

，…，

xn

。

(2)選定風(fēng)險(xiǎn)率α

，一般取5%或1%。

(3)計(jì)算判定值T

。如果x1或xn是可疑的，則

(4)根據(jù)n

和α

查表1－3得T(n，

α)值。若

T>T(

n

，

α)值，則相應(yīng)的x1或xn就應(yīng)舍去。

1.2.8有效數(shù)字

關(guān)于有效數(shù)字值和計(jì)算法則應(yīng)注意的問題:一切表示誤差和精度的數(shù)字，一般都保留一位;測量結(jié)果數(shù)據(jù)的有效數(shù)字，應(yīng)與結(jié)果的誤差位數(shù)適應(yīng)，即由測量誤差確定測量結(jié)果的有效數(shù)字。

2.間接測量數(shù)據(jù)處理步驟

(1)計(jì)算間接測量值v，

v=f(x1

，

x2

，…，

xn)，一般是對(duì)某一值x1直接測量，其余x值已知;

(2)計(jì)算間接測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值:

(3)由σv確定測量結(jié)果的有效數(shù)字。

1.3人眼及目視光學(xué)儀器的瞄準(zhǔn)誤差

1.3.1人眼在測量中帶來的瞄準(zhǔn)誤差

1.瞄準(zhǔn)誤差的概念對(duì)準(zhǔn):指在垂直于瞄準(zhǔn)軸方向上，使目標(biāo)和比較標(biāo)記重合或置中的過程，又稱為橫向?qū)?zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)殘留的誤差稱為對(duì)準(zhǔn)誤差。調(diào)焦:指目標(biāo)和比較標(biāo)記沿瞄準(zhǔn)軸方向重合或置中的過程，又稱為縱向?qū)?zhǔn)。調(diào)焦殘留的誤差稱為調(diào)焦誤差。

在測量中對(duì)準(zhǔn)誤差和調(diào)焦誤差都稱為瞄準(zhǔn)誤差。

2.對(duì)準(zhǔn)誤差

人眼的對(duì)準(zhǔn)誤差除與視場的照度、目標(biāo)的對(duì)比度有關(guān)外，還與目標(biāo)的形式(或?qū)?zhǔn)方式)有關(guān)。圖1.1給出了幾種常見的對(duì)準(zhǔn)方式及其可能產(chǎn)生的對(duì)準(zhǔn)誤差。圖1.1對(duì)準(zhǔn)方式及其對(duì)準(zhǔn)誤差(a)直線與直線重合;(b)單線線端對(duì)準(zhǔn);(c)叉線對(duì)準(zhǔn);(d)夾線對(duì)準(zhǔn)或置中;(e)虛線與實(shí)線對(duì)準(zhǔn);(f)多線線端對(duì)準(zhǔn)

3.調(diào)焦誤差

對(duì)于調(diào)焦誤差，有兩種計(jì)算方式。一種是用物像清晰作為定焦條件，可按下式計(jì)算:

其中:ΔSD

為視度差；λ為工作波長；

n

為儀器物方介質(zhì)折射率；

Kω為波像差容限；

Φ為儀器物方實(shí)際工作孔徑。

另一種是用空間的線量表示，可按下式計(jì)算:

1.3.2人眼通過目視光學(xué)儀器觀察時(shí)的瞄準(zhǔn)誤差

1.對(duì)準(zhǔn)誤差

1)望遠(yuǎn)鏡觀察

式中：γ

為人眼通過望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)的對(duì)準(zhǔn)誤差；δ

為人眼對(duì)準(zhǔn)誤差；

Γ

為望遠(yuǎn)鏡視放大率。

2)顯微鏡觀察

在明視距離處，與人眼對(duì)準(zhǔn)誤差相應(yīng)的橫向距離為

通過倍率為ΓM

的顯微鏡觀察時(shí)，對(duì)準(zhǔn)誤差為

2.調(diào)焦誤差

常用的調(diào)焦方式有清晰度法和消視差法。

清晰度法:以目標(biāo)像和比較標(biāo)志同樣清晰為準(zhǔn)，其調(diào)焦誤差由幾何景深和物理景深決定。

消視差法:以眼睛垂直于瞄準(zhǔn)軸擺動(dòng)時(shí)看不出目標(biāo)像和比較標(biāo)志有相對(duì)錯(cuò)動(dòng)為準(zhǔn)，調(diào)焦誤差受到對(duì)準(zhǔn)誤差影響。

1)望遠(yuǎn)鏡觀察

(1)清晰度法。

極限誤差:

標(biāo)準(zhǔn)偏差:

式中：

D為望遠(yuǎn)鏡物方的有效通光孔徑；λ

為照明光波長(

μm

)；

α為人眼極限分辨角(分)。

(2)消視差法。

極限誤差:

標(biāo)準(zhǔn)偏差:

式中：

δ為人眼對(duì)準(zhǔn)誤差(分)；

D‘為望遠(yuǎn)鏡出瞳直徑；De

為眼瞳直徑。

2)顯微鏡觀察

(1)清晰度法。

極限誤差:

標(biāo)準(zhǔn)偏差:

(2)消視差法。

極限誤差:

標(biāo)準(zhǔn)偏差:

由于人眼的生理特性，無論是對(duì)準(zhǔn)還是調(diào)焦均有一定程度的誤差。為提高對(duì)準(zhǔn)和調(diào)焦精度，現(xiàn)在廣泛采用光電對(duì)準(zhǔn)和定焦。此外，為提高定焦精度，人們也常采取以下三種措施:

(1)將縱向調(diào)焦變?yōu)闄M向?qū)?zhǔn)，如半透鏡定焦法;

(2)利用人眼的體視銳度(10″)，如立體視差儀定焦法;

(3)利用人眼的襯度靈敏度(5%)，如雙星點(diǎn)定焦法。

1.4光電瞄準(zhǔn)技術(shù)

1.4.1光電自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)用人眼對(duì)準(zhǔn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，精度差，而且易受主觀因素影響，不便于測量自動(dòng)化。為了克服上述缺點(diǎn)，人們發(fā)展了光電探測技術(shù)。光電探測不僅可代替人眼進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)、定焦和讀數(shù)，更重要的是可大大提高對(duì)準(zhǔn)和定焦精度。另外，通過光電探測高準(zhǔn)確度地提取信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)才能有效地進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和處理，實(shí)現(xiàn)測量的自動(dòng)化，提高工作效率，擴(kuò)大儀器的應(yīng)用范圍。近年來，以CCD傳感器為代表的各種新型光電探測器發(fā)展很快，光電對(duì)準(zhǔn)和光電定焦已越來越廣泛地應(yīng)用于各種測量儀器中。

目前，目視光學(xué)儀器選擇好的對(duì)準(zhǔn)方式，其對(duì)準(zhǔn)誤差通常只能做到1″~2″和2~3μm

，而采用光電對(duì)準(zhǔn)裝置后，其對(duì)準(zhǔn)誤差可達(dá)到0.01″~0.1″和0.01~0.02μm

，精度比目視對(duì)準(zhǔn)要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

光電對(duì)準(zhǔn)的基本思想是使目標(biāo)(通常是刻線)成像在狹縫上，并在狹縫的后面安置光電接收器。光電元件通常總是固定不動(dòng)的，因此，目標(biāo)的像和狹縫兩者之中有一個(gè)位置發(fā)生變動(dòng)，透過狹縫的光通量便會(huì)發(fā)生變化，光電接收器就會(huì)輸出變化的電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)做適當(dāng)處理，就可確定對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)。

由此看來，獲得目標(biāo)的像和狹縫間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，至少有兩種方案;其一是在射向狹縫的成像光路中設(shè)置擺動(dòng)反射鏡，使目標(biāo)的像隨著反射鏡的擺動(dòng)而相對(duì)狹縫運(yùn)動(dòng)，或者是使

狹縫振動(dòng)，這就是靜態(tài)光電對(duì)準(zhǔn);其二是使目標(biāo)(及其像)相對(duì)狹縫運(yùn)動(dòng)，這種對(duì)準(zhǔn)為動(dòng)態(tài)光電對(duì)準(zhǔn)。

根據(jù)工作原理的不同，光電對(duì)準(zhǔn)又可分為光度式和相位式。光度式是根據(jù)光電接收器接收的光通量大小的變化，來分析、確定對(duì)準(zhǔn)狀態(tài);而相位式是按光電接收器輸出的信號(hào)

的相位特征來確定對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)。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，主要采用對(duì)準(zhǔn)線條的方式。

圖1.2所示為一種二維光電自準(zhǔn)直儀的光學(xué)原理圖。位于準(zhǔn)直物鏡兩個(gè)共軛焦面上相互正交的目標(biāo)狹縫，由發(fā)光二極管發(fā)出的光經(jīng)傳光光纖和聚光鏡照明，分別通過分光鏡和

物鏡準(zhǔn)直出射后返回，又分別成像在與目標(biāo)狹縫共軛的兩個(gè)線陣CCD探測器上，兩路CCD接收信號(hào)分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)相關(guān)電路精度完成數(shù)字信號(hào)處理，由液晶屏實(shí)時(shí)顯示，

RS232接口可將兩路測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)分別進(jìn)行x軸和

y軸兩個(gè)方向的對(duì)準(zhǔn)。圖1.2二維光電自準(zhǔn)直儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖

圖1.3所示是相位式光電自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡工作原理圖。狹縫每振動(dòng)一次，就有兩次被目標(biāo)的像擋住的機(jī)會(huì)，于是光通量有兩次最小。光電接收器輸出的光電流脈沖的變化與光通

量的變化一致。在對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)下，兩次輸出脈沖的相位相等，如經(jīng)差動(dòng)輸出，輸出為零，用電表指示時(shí)，指針處于零位;在非對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)下，兩次輸出脈沖的相位不等，差動(dòng)輸出不為零，電表指針將偏離零位，偏離方向取決于兩脈沖序列平均值的高低，從而可確定像偏離的方向。圖1.3相位式光電自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡工作原理圖

1.4.2光電自動(dòng)定焦

定焦實(shí)質(zhì)上就是要確定物鏡的最佳像面的位置。對(duì)于不同的應(yīng)用場合，最佳像面則可能用不同的方法定義，因此，確定最佳像面的標(biāo)準(zhǔn)有多種，如最高對(duì)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)像面或點(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)。

根據(jù)確定最佳像面的標(biāo)準(zhǔn)不同，光電定焦的方法也很多，如扇形光柵法、小孔光闌法、刀口檢驗(yàn)法和MTF法等。這里僅舉兩例，說明定焦原理。

1.刀口檢驗(yàn)法

如圖1.4所示，用準(zhǔn)直光線照明被檢物鏡5，并用場鏡6將被檢物鏡5的出瞳D′成像在接收面

π上。在該像的范圍內(nèi)，于光軸上下對(duì)稱安置兩個(gè)光電器件A和B，作為光接收器，于被檢物鏡的焦平面附近，安置轉(zhuǎn)動(dòng)的刀口葉片，用以切割成像光束，如圖1.5所示。

設(shè)刀片從光軸上方切下，當(dāng)?shù)犊谌~片處在焦內(nèi)時(shí)，射向光電器件A的光束先被切割，然后是光電器件B。因此，光電器件A輸出的電信號(hào)相位超前;反之，刀口葉片處在焦外時(shí)，光電器件B輸出的電信號(hào)相位超前;如果刀口葉片正切在焦點(diǎn)時(shí)，兩信號(hào)的相位差等于零。圖1.4刀口檢驗(yàn)法光電定焦結(jié)構(gòu)原理圖圖1.5轉(zhuǎn)動(dòng)刀口切割成像光束

由上述分析可見，只要能檢測出兩信號(hào)的相位差(正、負(fù)或零)，就可以確定調(diào)焦的狀態(tài)。檢測電路的框圖，可以采用圖1.6所示的形式。圖1.6檢測電路框圖

2.利用電荷耦合器件(CCD)定焦

CCD傳感器已廣泛用于電視攝像和工業(yè)檢測的各個(gè)領(lǐng)域。由于它具有高的分辨力，并可與微機(jī)聯(lián)接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。

1)CCD對(duì)應(yīng)不同離焦量的輸出特性

當(dāng)光亮目標(biāo)成像在CCD器件時(shí)，

CCD輸出電壓最大。離焦后，由于投射到CCD像素上的光能量下降，因而輸出電壓下降。由物理光學(xué)衍射原理可知，對(duì)不同方向的離焦，輸出電壓下降是對(duì)稱的。

2)自準(zhǔn)直法自動(dòng)定焦原理

利用自準(zhǔn)直原理，在被檢物鏡像面位置安置狹縫板和CCD器件，如圖1.7所示。圖1.7利用CCD定焦結(jié)構(gòu)原理

狹縫板上開出兩個(gè)狹縫A和B，并用光源通過聚光鏡進(jìn)行照明。CCD器件的安置，應(yīng)保證其接收面與狹縫板保持一定的位置關(guān)系，即狹縫板上的兩狹縫應(yīng)分別位于CCD器件接收面的兩側(cè)，并且對(duì)該面的距離相等。狹縫板與CCD器件固定在一起，可以沿光軸移動(dòng)，并應(yīng)保證兩狹縫的自準(zhǔn)直像均能投射到CCD器件上。

定焦時(shí)，軸向移動(dòng)狹縫板和CCD構(gòu)成的組合器件。當(dāng)CCD接收面剛好位于焦面上時(shí)，由于兩狹縫具有相同的離焦量，

CCD可輸出兩個(gè)相等的信號(hào)。如果CCD離焦，那么兩狹縫的離焦量不等，因而CCD將輸出兩個(gè)量值不等的電壓信號(hào)，兩信號(hào)經(jīng)保持、采樣，送入計(jì)算機(jī)比較。若相等，表示已處于定焦位置;若不等，表示有離焦。

如利用兩信號(hào)的差值去控制步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，可達(dá)到自動(dòng)定焦的目的。

隨著圖像采集技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像自動(dòng)調(diào)焦(又稱聚焦)技術(shù)也獲得快速發(fā)展，并成為圖像測量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于數(shù)字

圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦過程可以描述為:計(jì)算機(jī)通過光學(xué)系統(tǒng)和圖像采集設(shè)備采集到一系列的數(shù)字圖像，對(duì)每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，判斷聚焦是否準(zhǔn)確、