CN104296972B - 一种玻罗板及其刻线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻罗板及其刻线设计方法。刻线设计方法，包括以下步骤：(1)获取光电焦距测量仪相关参数以及该对刻线的量程要求下限F₁和量程要求上限F₂；(2)计算玻罗板刻线间距最大值s_max；(3)选取玻罗板刻线间距离s，计算该对刻线适用的焦距量程下限f₁以及焦距量程上限f₂，使得f₁≤F₁、f₂≥F₂且s≤s_max，其中f₁＝(0.71a×fc’)/(η×s)，f₂＝(abfc’)/s，a为CCD像素大小，b为CCD分辨率，fc’为准直透镜焦距，η为相对精度。玻罗板设计方法，按照所述刻线设计方法，设计多对玻罗板刻线，使得多对刻线的量程覆盖光电焦距测量仪的量程。本发明提供的方法简单快速，方便直观，有实用价值。

Description

一种玻罗板及其刻线设计方法

技术领域

本发明属于光学仪器测量领域，更具体地，涉及一种玻罗板及其刻线设计方法。

背景技术

光学***焦距通常基于放大率法用焦距仪测量，是通过测量玻罗板刻线在接收***上像的独处间距，根据玻罗板刻线间的实际距离和准直透镜的焦距，确定被测光学***的焦距。

其基本光路图如图1所示，被测***焦距f’，按照下式计算：

$f^{\′}={\mathrm{fc}}^{\′}\frac{s^{\′}}{s}$

其中，fc’为准直透镜焦距，s玻罗板刻线间距，s’接收***分划板上像的读出间距。

传统的目视焦距仪采用玻罗板刻划线成像在分划板上，人眼通过目镜瞄准用测量显微镜读数，而分划板的大小决定了成像范围，目视焦距仪的玻罗板与它适应。随着光电技术与红外技术的发展，焦距的测量愈来愈多的采用光电式焦距仪。两者的主要区别在于接收器的不同。光电式焦距仪用光电探测器接收信号，最常用的是CCD。CCD的大小比传统焦距仪的分划板小，最小读数单元是象素。因此光电式焦距仪玻罗板的设计要与此CCD匹配。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种玻罗板及其刻线设计方法，其目的在于针对光电焦距测量仪，提供一种玻罗板刻线量化设计方法，同时满足测量精度和量程要求。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种玻罗板刻线设计方法，包括以下步骤：

(1)获取光电焦距测量仪的CCD像素大小a、CCD分辨率b、准直透镜焦距fc’、准直透镜视场角2ω、相对精度η、以及该对刻线的量程要求下限F₁和量程要求上限F₂；

(2)根据步骤(1)中获取的参数，计算玻罗板刻线间距最大值s_max：

s_max＝2fc’tg(ω)

(3)选取玻罗板刻线间距离s，计算该对刻线适用的焦距量程下限f₁以及焦距量程上限f₂，使得f₁≤F₁、f₂≥F₂且s≤s_max，其中焦距量程下限f₁和焦距量程上限f₂的计算方法如下：

f₁＝(0.71a×fc’)/(η×s)，

f₂＝(a×b×fc’)/s，

其中，a为CCD像素大小，b为CCD分辨率，fc’为准直透镜焦距，η为相对精度。

按照本发明的另一方面，提供了一种玻罗板设计方法，按照本发明提供的的玻罗板刻线设计方法，设计多对玻罗板刻线，使得多对刻线的量程覆盖光电焦距测量仪的量程。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，方法简单快速，方便直观，有实用价值。

附图说明

图1是焦距仪测量的基本光路；

图2是刻线间距离s与被测焦距f’关系的S-F图；

图3是作图法设计多对玻罗板刻划间距实例。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的玻罗板刻线设计方法，包括以下步骤：

(1)获取光电焦距测量仪的CCD像素大小a、CCD分辨率b、准直透镜焦距fc’、准直透镜视场角2ω、探测器读数的相对精度η、以及该对刻线的量程要求下限F₁和量程要求上限F₂；

(2)根据步骤(1)中获取的参数，计算玻罗板刻线间距最大值s_max：

s_max＝2fc’tg(ω)

(3)选取玻罗板刻线间距离s，计算该对刻线适用的焦距量程下限f₁以及焦距量程上限f₂，使得f₁≤F₁、f₂≥F₂且s≤s_max，其中焦距量程下限f₁和焦距量程上限f₂的计算方法如下：

f₁＝(0.71a×fc’)/(η×s)，

f₂＝(a×b×fc’)/s，

其中，a为CCD像素大小，b为CCD分辨率，fc’为准直透镜焦距，η为相对精度。

玻罗板刻线间距离s的下限为满足精度要求的最小间隔，即在要求的焦距测量范围内，刻线在CCD上的像间距大于CCD读数精度要求的最小宽度。

CCD作为探测元件，它的探测精度是透镜焦距测量的主要误差之一，玻罗板的设计与仪器的精度有关，与CCD的读数精度，CCD的象素大小，CCD的象素数有关，所以我们首先要分析CCD的读数精度(不包括调焦精度与CCD本身精度)。

CCD的读数单元为象素,设其象素大小为a，象素个数(分辨率)为b。

玻罗板刻线像必在某一象元内，因此最基础的读数误差为半个象素。

由于确定刻线像间距需要两次读数,按照偶然误差的综合原则,有：

${\mathrm{\Δs}}^{\′}=\sqrt{2}\frac{a}{2}$

其中Δs’为CCD读书误差。CCD的读数误差为单次误差的倍，即0.71个象素，其与平行光管焦距大小无关，亦与被测透镜焦距大小，玻罗板的刻线间距及CCD上象的大小无关，但像高s’与这些因素有关。

由被测***焦距的计算公式：可知：

ln f'＝ln fc'-ln s+ln s'

上式对s’求偏导可求出CCD的读数误差引起的焦距测量的相对误差。

$\frac{{\mathrm{\Δf}}^{\′}}{f^{\′}}=\frac{{\mathrm{\Δs}}^{\′}}{s^{\′}}$

若精度分配中给探测器读数的相对精度为η，即要求有:

$\frac{0.71a}{s^{\′}}\≤\mathrm{\η}$

因此减小CCD的读数误差对仪器误差影响的办法是在参数设计时增加s’的数值。

又由可知，由于在要求的焦距测量范围内，刻线在CCD上的像间距大于CCD读数精度要求的最小宽度，因此有：

$s\≥\frac{0.71a}{\mathrm{\η}}\frac{{\mathrm{fc}}^{\′}}{f^{\′}}$

${\mathrm{sf}}^{\′}\≥\frac{0.71a}{\mathrm{\η}}{\mathrm{fc}}^{\′}$

故该对刻线适用的焦距量程下限f₁有：

f₁＝(0.71a×fc’)/(η×s)

同时又要求刻线间距s在CCD上的像间距s’小于CCD最大有效距离,即

s'≤ab

sf'≤a×b×fc'

故该对刻线适用的焦距量程上限f₂有：

f₂＝(a×b×fc’)/s

本发明提供的玻罗板设计方法，是当量程范围较大时，可设计多对玻罗板刻线，使得多对刻线的焦距量程覆盖量程范围。为更直观的选择玻罗板刻线，可采用作图法步骤如下：

A、绘制测量焦距上下限和玻罗板刻线间距离的关系曲线，分别为k₁和k₂，称作S-F曲线，如图2所示。

B、确定S-F图的范围，绘出直线s＝s_max，找出s＝s_max直线与测量焦距上限曲线k₁的交点F_1B。

当被测焦距小于F_1B所对应的焦距f'_1B时，都可用玻罗板上间距为s_max的线对测量。

C、选取多对刻线间距离s_i≤s_max，i为自然数，使得直线系列：s＝s_i,处于k₁和k₂之间的部分，覆盖量程范围。

以下为实施例：

一种玻罗板的设计方法，包括如下步骤：

(1)根据设计要求，所选CCD为1/3”,其像素大小a＝3.75μ,分辨率b＝1280。准直透镜焦距fc’＝300mm,视场角2ω＝5.2°，CCD读精相对精度η＝0.14％，要求量程要求上限F₁＝50mm，要求量程要求上限F₂＝500mm。

(2)根据步骤(1)中获取的参数，计算玻罗板刻线间距最大值s_max＝27.2mm，取s_max＝26mm：

(3)取玻罗板刻线间距离s，计算该对刻线适用的焦距量程下限f₁以及焦距量程上限f₂，使得f₁≤F₁、f₂≥F₂且s≤s_max，其中焦距量程下限f₁和焦距量程上限f₂的计算方法如下：

f₁＝(0.71a×fc’)/(η×s)，

f₂＝(a×b×fc’)/s。

由于光电焦距测量仪的量程较大，玻罗板设计时采用作图法，设计多对刻线的焦距量程覆盖量程范围。具体步骤如下：

A、绘制测量焦距上下限和玻罗板刻线间距离的关系曲线，分别为k₁和k₂，称作S-F曲线，如图3所示。

B、确定S-F图的范围，绘出直线s＝s_max，找出s＝s_max直线与测量焦距上限曲线k₁的交点F_1B。

当被测焦距小于F_1B所对应的焦距f'_1B时，都可用玻罗板上间距为s_max的线对测量。

绘出s_max＝26直线(虚线),它与曲线k₂的交点为F_1B，由图可知此刻划间隔可测的最大焦距约为f'₂＝55

C、选取多对刻线间距离s_i≤s_max，i为自然数，使得直线系列：s＝s_i,处于k₁和k₂之间的部分，覆盖量程范围。

在F_1B左约f'₂＝52处作直线f＝f₂,与曲线k₁相交于s≈12mm处，取第二对刻线的间隔s₂＝13mm。

类似的取第三对刻线的间隔s₃＝6mm。

作出f’＝500mm(最大测量焦距)的直线，由图知用s'₄＝3mm测量f’＝500mm不适。合，取s₄＝2.8mm作为第四对刻划间距

综上所述，本例玻罗板的分划线为4对,间距分别为26mm、13mm、6mm、2.8mm。

令f’为每一设计值由图所示的对应的测量范围。s’为由玻罗板刻划间距与被测焦距计算得的像值，其结果见表1。

表1不同间距刻划线对应的可测焦距与像距

刻划间距s(mm)	26	13	6	2.8
					测量焦距范围f’(mm)	22-52	52-108	108-230	230-500
对应像距s’(mm)	1.91-4.51	2.25-4.68	2.16-4.6	2.15-4.67

表1显示s’全在要求范围内，图解法设计的玻罗板是符合要求的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种玻罗板刻线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取光电焦距测量仪的CCD像素大小a、CCD分辨率b、准直透镜焦距fc’、准直透镜视场角2ω、探测器读数的相对精度η、以及待设计的成对刻线的量程要求下限F₁和量程要求上限F₂；

(2)根据步骤(1)中获取的参数，计算玻罗板刻线间距最大值s_max：

s_max＝2fc’tg(ω)

(3)选取玻罗板刻线间距离s，计算该对刻线适用的焦距量程下限f₁以及焦距量程上限f₂，使得f₁≤F₁、f₂≥F₂且s≤s_max，其中焦距量程下限f₁和焦距量程上限f₂的计算方法如下：

f₁＝(0.71a×fc’)/(η×s)，

f₂＝(a×b×fc’)/s，

其中，a为CCD像素大小，b为CCD分辨率，fc’为准直透镜焦距，η为探测器读数的相对精度。

2.一种玻罗板设计方法，其特征在于，按照如权利要求1所述的玻罗板刻线设计方法，设计多对玻罗板刻线，使得多对刻线的量程覆盖光电焦距测量仪的量程。