光学仪器的视差是仪器在出厂前必须检验的一项参数,视差的大小会严重影响到仪器的测量精度。长期以来,视差的检测手段都比较落后,文献^[1]介绍了一种用CCD摄像器件测量望远系统视差的新方法,文献^[2]探讨了人眼色视差问题,文献^[3]提出了应用CCD检测视差的智能化检测方法并得以实现。

1 视差产生及测量原理

视差产生的根本原因是光学系统像面与分划面之间存在一定的轴向间距Δ,因此可以直接用间距Δ来表示视差量。通常以像面为基准,当分划面在像面之前时间距Δ为负,当分划面在像面之后时间距Δ为正^[4]。

以望远系统为例,其光路如图 1所示,由于仪器制造和装配误差的影响,物镜的成像面与分划板没有完全重合,它们之间有一定的轴向距离Δ。当人眼通过目镜观察时,如果人眼在出瞳平面内移动,就会发现视场中像面与分划面之间有相对位移;若两者之间的距离Δ较大,人眼就不能同时看清楚像面与分划板刻线,从而影响对物体的观察,这种现象说明系统存在视差。视差所引起的对准误差,将直接影响仪器的测量精度。

图 1

Fig. 1

图 1 视差概念图 Fig. 1 Schematic of parallax

在望远系统中,由于视差Δ的存在,用分划板中心点对应的物方入射光束张角表示视差量,用符号ε表示。按照习惯,角视差值的单位用(′),角视差可表示为

2 仪器出瞳与人眼瞳关系分析

存在视差的仪器会对测量精度带来较大的影响,因为在此情况下,观察者眼瞳在仪器出瞳不同位置瞄准会得到不同结果。这种现象可由图 2说明， 当眼瞳中心位于仪器出射光瞳中心时,所观察到的分划中心P′₁与像点P′₂彼此重合。当眼睛移动距离p后再观察时,由P′₁、P′₂点发出的光束只有充满眼瞳与出瞳重叠区域的那部分(图中阴影部分)才能进入眼中。这束光线的主光线(光束中心的那条光线)通过重叠区域面积的中心点O′,该点距离原来观察位置移动量为q。一般情况下,射入瞳孔内光束的主光线位移量q比瞳孔中心位移量p要小些,引入关系式

图 2

Fig. 2

图 2 眼瞳在不同位置瞄准时的情况 Fig. 2 Pupil aiming at different positions

图 3

Fig. 3

图 3 瞳孔直径与瞳孔中心位移量的关系 Fig. 3 The relationship between pupil diameter and the pupil center displacement

当仪器出瞳大于人眼瞳孔时(D′>d),则

当仪器出瞳等于人眼瞳孔时(D′=d),则

当仪器出瞳小于人眼瞳孔时(D′

如图 2所示,进入人眼的主光线P′₁O′、P′₂O′在系统物方的共轭线段之间的夹角Δθ就是仪器瞄准线对目标的瞄准误差,Δθ′是与Δθ对应的,分别属于像方和物方的瞄准误差角。由图 1所示,瞄准误差角Δθ的确定方法与角视差量ε的确定方法相似^[5],所不同的只是,这里Δθ对应ε/2,q=kp对应式(1)中的D′/2。于是有

3 测量数据及分析

测量过程中选取8倍测量望远镜系统,Δ=0.1 mm,d=3.0 mm,D′=5.0 mm,望远系统f′_w=250 mm,f′_m=31.25 mm。表 1为实际测得的数据。

表 1(Table 1)

表 1 瞄准误差与瞳孔中心位移量的关系 Tab. 1 The relationship between the aiming error and the pupil center displacement p/mm 0.5 0.8 1.0 1.2 1.5 1.7 k 1.00 1.00 1.00 0.92 0.83 0.79 Δθ/rad 0.022 0.035 0.044 0.048 0.055 0.059

表 1 瞄准误差与瞳孔中心位移量的关系 Tab. 1 The relationship between the aiming error and the pupil center displacement

光学仪器由于视差的存在,随着眼瞳偏离仪器 出瞳位置的增大(眼瞳始终在能接受到仪器出瞳出来的光束范围内),所测得的视差值也逐渐增大。瞄准误差不仅与仪器视差量Δ有关,而且与眼瞳放置位置、瞳孔直径大小有关。随着眼睛偏离出瞳中心愈远,瞄准误差也就愈大。当然,实际上眼瞳孔不可能完全移至出瞳以外,因为眼瞳孔与出瞳重叠部分面积小到一定程度时,光线被阻挡过多,像亮度严重降低,已不能进行正常观察。取眼瞳孔中心偏移出瞳边缘p=D/2处,且假定,代入式(7)可得

4 结 论

针对存在视差的光学仪器的瞄准精度进行了探讨,瞄准误差不仅与仪器视差量有关,而且与眼瞳放置位置、瞳孔直径大小有关。随着眼睛偏离出瞳中心越远,瞄准误差也就越大。