光学测量的基本知识
光学计量知识点梳理总结
光学计量知识点梳理总结光学计量是光学技术在测量领域的应用，它利用光学现象完成各种测量任务。
光学计量技术具有测量速度快、精度高、非接触性等优点，因此在制造业、科研领域和生活中得到了广泛的应用。
本文将从基本原理、仪器设备和应用实例等方面对光学计量知识点进行梳理总结。
一、基本原理1. 光学计量的基本原理是利用光的传播规律和光学现象进行测量。
光学计量技术的基本原理包括光的干涉、衍射、反射和折射等现象。
在实际中，光学计量技术主要应用于三维形貌测量、表面缺陷检测、尺寸测量等领域。
2. 光学计量的原理可以用来解释各种测量现象。
例如，光的干涉现象可以用来测量表面的形貌和波纹的密度，光的反射和折射现象可以用来测量材料的折射率和光学参数，光的散射现象可以用来检测材料中的缺陷。
3. 光学计量技术的发展离不开光学原理的研究。
现代光学计量技术已经发展到了可以实现纳米级的测量精度，这离不开对光学原理的深入研究和应用。
二、仪器设备1. 光学计量技术所使用的仪器设备主要包括光学显微镜、干涉仪、激光测量仪、数字相机、高斯仪等。
这些仪器设备主要用来观测、测量和处理光学图像。
2. 光学显微镜是一种通过使用透镜和放大镜来观察微观结构的仪器。
光学显微镜可以用来观察显微尺度的结构和形貌。
3. 干涉仪是一种利用光的干涉现象进行测量的仪器。
干涉仪可以用来测量物体的形状和表面的质量。
4. 激光测量仪是一种利用激光技术进行测量的仪器。
激光测量仪可以用来进行三维形貌测量、位移测量和速度测量。
5. 数字相机是一种用于拍摄和处理数字图像的仪器。
数字相机通常可以与计算机或者其他设备进行连接，用于数据的采集和处理。
6. 高斯仪是一种用于测量透镜和光学元件参数的仪器。
高斯仪可以用来测量透镜的焦距、曲率半径和材料参数等。
三、应用实例1. 光学计量技术在制造业中的应用：光学计量技术在汽车零部件、航空航天、光学器件等领域有着广泛的应用。
例如，利用激光测量技术可以实现对复杂曲面零件的三维形貌测量，利用数字相机可以实现对零件表面缺陷的检测。
大学物理实验光学基本测量介绍课件
光学散射测量：利用光
02 的散射现象进行测量，
如激光散射仪
光学成像测量：利用光
03 的成像原理进行测量，
如显微镜、望远镜
光学光谱测量：利用光
04 的光谱特性进行测量，
如光谱仪
测量仪器介绍
光学显微镜：用于观察微观结构，如细胞、 细菌等 激光测距仪：用于测量距离，如建筑物高度、 地形等
光谱仪：用于分析物质成分，如化学物质、 生物样品等
光学测量在环境科 6 学中的应用：如大 气污染监测、水质 监测等
光学测量在工程实践中的应用
光学测量在机械 光学测量在光学 光学测量在生物
工程中的应用： 工程中的应用： 医学工程中的应
如测量零件尺寸、 如测量光学元件、 用：如测量生物
形状、位置等
光学系统、光学 组织、生物细胞、
性能等
生物分子等
01
03
光学测量在物理学 1 研究中的应用：如 光速测量、光波长 测量等
光学测量在化学研 2 究中的应用：如光 谱分析、分子结构 分析等
光学测量在生物学 3 研究中的应用：如 细胞成像、生物分 子结构分析等
光学测量在天文学 4 研究中的应用：如 恒星观测、星系观 测等
光学测量在材料科 5 学中的应用：如材 料结构分析、材料 性能测试等
05
02
04
06
光学测量在电子 工程中的应用： 如测量电路板、 芯片、电子元件 等
光学测量在材料 光学测量在航空
工程中的应用： 航天工程中的应
如测量材料性能、 用：如测量飞行
材料结构、材料 器、航天器、航
缺陷等
天系统等
光学测量在日常生活中的应用
01
视力检测：通过光学仪器测量视力，了
专业实用的光学测量知识
1、相对孔径一、相对孔径与数值孔径1. 定义（见图1-1）：相对孔径通光口径与焦距之比D f'像方数值孔径物方孔径角u的正弦与物空间的折射率n的乘积NA＝n sin u 物方图1-1a、为什么用入瞳直径D不用出瞳直径D' ？若用D'，它到系统后焦点F'的距离就不一定是焦距f '。
若用入瞳直径，对于物在无限远的成像系统来说，不管入瞳在什么地方，相对孔径总是D f'。
见图1-2。
后主面F'U'maxf'D图1-2b、为什么用sin u不用tan u？理想光学系统的物像空间不变式：n·y·tan u＝n'·y'·tan u'考虑到设计计算方便，采取规格化（归一化）的措施，故采用正弦代替正切。
相应的，显微镜的设计必须满足正弦条件：n·y·sin u＝n'·y'·sin u'D f'、NA与对准精度、调焦精度、分辨率、光学传递函数密切相关，而且是D f'、NA 越大，对准、调焦精度越高，分辨率越高，像质越好。
2. 对准：对准误差用γ、Δy 表示。
11610min (~)γα= 11610min (~)y ε∆=1.02D λα= 道斯 0.51NAλε= 道斯 D f '、NA 越大，对准越高。
3. 调焦： 焦深是对应K λ（K ＝4~8）波前误差的像点位置变化量。
望远物镜、照相物镜的焦深表示为：22max 22()sin x F k U Kλλ'∆=±≈±⋅' 显微物镜的焦深表示为： 22()x k NA λ∆=±⋅ D f '、NA 越大，调焦精度越高。
4. 分辨率：D f '、NA 越大，分辨率越高。
5. 像质：星点直径望远、照相物镜： 2.44d F λ=⋅显微物镜： 1.22d NA λ=衍射受限系统的光学传递函数：2()arccos()c r OTF r r π⎡=⋅-⎢⎣ r c － 截至空间频率 c D r dλ= （D －出瞳直径，d －出瞳面到像平面的距离） 对于无限远目标成像，d 可用f '替代，则：1c r Fλ=见图1-3。
光学测量及其应用知识点
光学测量及其应用知识点
光学测量是一种利用光学原理进行测量的方法，广泛应用于工
程领域中。
以下是光学测量及其应用的一些基本知识点：
1.光学测量基础
光学测量基于光的传播和反射原理，通过测量光的特性来获取
目标物体的相关信息。
常见的光学测量方法包括光线法、自动对焦、相位差法等。
2.直接测量和间接测量
光学测量可以分为直接测量和间接测量。
直接测量是通过直接
测量光的特性，如光线的强度、颜色等来获得目标物体的相关参数。
间接测量是通过测量光线的反射、折射以及干涉等现象来推导目标
物体的参数。
3.光学测量的应用
光学测量在工程领域有着广泛的应用。
以下是一些光学测量的应用领域：
3.1.制造业中的应用
光学测量在制造业中有着重要的应用，用于测量产品的尺寸、形状等参数。
例如，在汽车制造过程中，光学测量可以用于检测车身的平坦度、形状偏差等。
3.2.非接触性测量
光学测量具有非接触性的特点，可以应用于对被测对象表面的非破坏性测量。
这在一些精密仪器的制造和质量控制过程中非常重要。
3.3.精度测量
光学测量可以实现高精度的测量，对于一些需要高精度的工程项目非常重要。
例如，在航天器制造中，光学测量可以用于测量器件的尺寸和形状，确保其符合设计要求。
总结
光学测量是一种基于光学原理的测量方法，具有广泛的应用领域。
光学测量在制造业中起着重要的作用，可以应用于非接触性测量和高精度测量等领域。
对于工程领域的研究和应用而言，光学测量是一项重要的技术和工具。
专业实用的光学测量知识
1＞相对孔径一、相对孔径与数值孔径1.定义（见图1-1）:相对孔径通光口径与焦距之比D//'像方a.为什么用入瞳直径D不用岀瞳直径D' ?若用它到系统后焦点F的距离就不一左是焦距厂。
若用入瞳直径，对于物在无限远的成像系统来说，不管入瞳在什么地方，相对孔径总是D/f o见图b、为什么用sin u不用tan u ?理想光学系统的物像空间不变式：n 0y•tanu=/?‘ • y1 *tanu1考虑到设计汁算方便，采取规格化（归一化）的措施，故采用正弦代替正切。
相应的，显微镜的设计必须满足正弦条件：n * y ・sin u=n,• y1 "sint/D/f \ NA与对准精度、调焦精度.分辨率.光学传递函数密切相关，而且是D/f\NA 越大，对准、调焦精度越髙，分辨率越高，像质越好。
3 •调焦：焦深是对应久/K (K=4~8)波前误差的像点位垃变化量。
望远物镜、照相物镜的焦深表示为：D/f\ NA 越大,调焦精度越高。
望远物镜 照相物镜显微物镜 1.02Z (小a = ---------- (rad) D、0.51心、 △y =——-(也也) NA 5.像质： 星点直径望远、照相物镜：d = 2・44/l ・F显微物镜： d = \22"NA衍射受限系统的光学传递函数:r c 一截至空间频率＜ =— (D —出噬直径，d —出瞳而到像平而的距离) kd对于无限远目标成像，d 可用厂替代，贝IJ ： 1I F见图1-3。
比越大,像质越好。
2.对准：对准误差用Y 、表示。
/min =(% ~ %0加 1.022 % lh . a = -------- 道斯DD/f\ NA 越大，对准越髙。
叽0=(%~处0.512 s = ---------- NA 道斯显微物镜的焦深表示为:"±2%.(心)22OTF(C = _・71图1-3一七汾吉所谓自准直就是利用光学成像原理使物和像都在同一个平而上的方法。
光学计量知识点总结
光学计量知识点总结光学计量是一门研究光学器材和系统性能的学科，是光学工程的基础。
它主要包括光学测量、光学检测及光学仪器的校准和标定。
在实际应用中，光学计量技术可以用于光学元件的表面质量检测、光学系统的性能评定和光学仪器的精密标定等方面。
在本文中，将对光学计量的基本知识点进行总结，以便读者对光学计量有一个系统全面的认识。
1. 光学测量基础知识光学测量主要是利用光学装置进行测量的一种方法。
光学测量可以分为两大类：一是利用光的传播规律进行测量，如利用光的反射、折射和干涉等现象进行测量；二是利用光的波动性质进行测量，如利用光的波长、频率和相位等进行测量。
在光学测量中，常见的方法有测距、测角、测曲率、测波前形貌等。
2. 光学材料和元件的检测方法光学材料和元件的检测是光学计量的重要内容之一。
常见的光学材料包括玻璃、晶体、塑料、金属等，而光学元件包括透镜、棱镜、反射镜、光栅等。
光学材料和元件的检测方法主要包括表面形貌检测、光学性能检测和尺寸形位检测等。
其中，表面形貌检测常见的方法有干涉法、散射法、显微观察法等；光学性能检测常见的方法有透射率测量、反射率测量、色散性测定、偏振性能测量等；尺寸形位检测常见的方法有投影法、测微术、衍射法等。
3. 光学仪器的校准和标定光学仪器的校准和标定是光学计量的另一重要内容。
校准是指利用已知标准进行检定和调整，以确保仪器测量结果的准确性和可靠性。
常见的光学仪器包括望远镜、显微镜、激光测距仪、光谱仪、干涉仪等。
而标定是指对仪器的性能参数进行定量测定和记录，一般可以通过实验数据的处理和分析来进行。
在光学仪器的校准和标定中，常见的方法有干涉比较法、激光干涉法、角度比较法、频率比较法等。
4. 光学系统的性能评定光学系统的性能评定是光学计量的又一重要内容。
光学系统通常是由多个光学元件组成的一个整体，其性能评定是指对光学系统的成像质量、分辨率、畸变、像散等进行全面评价。
在光学系统的性能评定中，常见的方法有MTF（Modulation Transfer Function）曲线法、光斑跟踪法、畸变校正方法等。
光学测量与光学工艺知识点答案
目录第一章基本光学测试技术 (2)第二章光学准直与自准直 (5)第三章光学测角技术 (9)第四章：光学干涉测试技术 (12)第六章：光学系统成像性能评测 (15)第一章 基本光学测试技术• 对准、调焦的定义、目的；对准又称横向对准，是指一个对准目标（？）与比较标志（？）在垂直瞄准轴（？）方向像的重合或置中。
例：打靶、长度度量人眼的对准与未对准：对准的目的：1.瞄准目标（打靶）；2.精确定位、测量某些物理量（长度、角度度量）。
调焦又称纵向对准，是指一个目标像（？）与比较标志（？）在瞄准轴（？）方向的重合。
人眼调焦：调焦的目的 ：1.使目标与基准标志位于垂直于瞄准轴方向的同一个面上，也就是使二者位于同一空间深度；2.使物体（目标）成像清晰；3.确定物面或其共轭像面的位置——定焦。
121'2'1'P 2'2''•人眼调焦的方法及其误差构成；常见的调焦方法有清晰度法和消视差法。
清晰度法是以目标与比较标志同样清晰为准。
调焦误差是由于存在几何焦深和物理焦深所造成的。
消视差法是以眼镜在垂直平面上左右摆动也看不出目标和标志有相对横移为准的。
误差来源于人眼的对准误差。
（消视差法特点：可将纵向调焦转变为横向对准；可通过选择误差小的对准方式来提高调焦精确度；不受焦深影响）•对准误差、调焦误差的表示方法；对准误差的表示法：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示；调焦误差的表示法：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示；•常用的对准方式；常见的对准方式有压线对准，游标对准，夹线对准，叉线对准，狭缝叉线对准或狭缝夹线对准。
•光学系统在对准、调焦中的作用；提高对准、调焦精度，减小对准、调焦误差。
•提高对准精度、调焦精度的途径；使用光学系统进行对准，调焦；光电自动对准、光电自动调焦；•光具座的主要构造；平行光管（准直仪）；带回转工作台的自准直望远镜（前置镜）；透镜夹持器；带目镜测微器的测量显微镜；底座•平行光管的用途、简图；作用是提供无限远的目标或给出一束平行光。
光学测量的基础知识课件
光在不同物质中传播速度一般不同，在真空中最快。
光线直线传播的应用
可应用于光学测量、定位、光学仪器等。
光学成像原理
01
02
03
成像原理
基于透镜或反射面的折射 或反射原理，将物体成像 于视网膜或探测器上。
成像公式
1/f = 1/u + 1/v，其中f 为透镜焦距，u为物距，v 为像距。
成像质量
光学测量通常采用非接触式测量方式 ，具有高精度、高分辨率、非破坏性 等优点。
光学测量特点
高精度
实时性
光学测量利用光的干涉、衍射等效应，可 以实现高精度的测量，达到纳米级甚至更 高级别的测量精度。
光学测量可以实现实时在线测量，可以在 生产过程中快速获取测量数据，及时调整 生产工艺，提高产品质量。
非接触性
环境监测
光学测量可以用于环境监测，如空气质量、水质、噪声等 环境参数的测量。
医学诊断
光学测量在医学领域也有广泛应用，如医学影像、光学显 微镜、激光治疗等。
科研领域
光学测量在科研领域也有重要应用，如物理实验、化学分 析、生物研究等。
02
光学测量基本原理
光线传播定律
光线传播方向
光线在均匀介质中沿直线传播，当通过不同介质时，会发生折射 和反射现象。
利用光谱和偏振等光学技术实现对大气污染物的监测，如 二氧化硫、氮氧化物等。
水质监测
利用光学技术实现对水体中的污染物、悬浮物、叶绿素等 物质的监测。
气象观测
利用光学技术实现对云层、风向、风速等气象参数的观测 。
光学测量在安全防范中的应用
光学防盗系统
利用红外、微波等光学技术实现 防盗报警，具有高灵敏度和高分 辨率等优势。
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光学测量的基本知识
一.典型的光学测试装置-----光具座
光具座的类型一般以其上的平行光管EFL的长短来区分,例如: GXY---08A型之EFL=1200mm.
我们的光具座:MSFC---Ⅳ型有3个准直镜头,
EFL1=550mm,F/NO=10
EFL2=200.61mm,F/NO=4
EFL3=51.84mm,F/NO=4 其组成如下:1.平行光管. 2.透镜夹持器. 3.V型座. 4测量显微镜.
5.导轨底座.
6.光源.
7. 光源变压器.
8.光源调压器.
9.附件.
1.平行光管
又称准直仪,它的作用是提供无限远的目标或给出平行光.其组成如下:
物镜EFL=550mm 分划板
分划板的形式有多种,例如(1)十字或十字刻度分划板,(2)分辨率板,(3)星点板,
(4)玻罗板(PORRO).
2.透镜夹持器
用来夹持被测镜片或镜头,並保持光轴的一致性.
-1-
3.V型座
用来放置EFL=200.61mm和EFL=51.84mm准直物镜, 並保持光轴一致性.
4.测量显微镜
是一个带有目镜测微器的显微镜. 用来进行各种测量. 目镜测微器有多种.最常用的是螺杆目镜测微器,其螺距为0.02mm,则每格值为
0.002mm.
5.导轨底座
导轨很精密,用它把1.平行光管. 2.透镜夹持器. 3.V型座. 4测量显微镜等联在一起,称为光具座.
6.附件:各种倍数和不同数值孔径的显微镜物镜,各种分划板.
光具座主要测量(1)正,负透镜和照相物镜,望远物镜的焦距(EFL).
(2)正,负透镜和照相物镜,望远物镜的截距(BFL)
(3)检测照相物镜,望远物镜的分辨率.
(4)检测照相物镜,望远物镜的星点.
(5) 照相物镜,望远物镜的F/NO.
(6)加上其它光学器件和机械装置,可以组成多种
光学测量装置.
-2-
一.焦距(EFL)的测量
光学系统和透镜的重要参数---焦距(EFL),迄今已有多种行之有效的测量方法.
1.放大率法.
2.自准直法.
3.附加透镜法.
4.精密测角法.
5. 附加接筒法.
6.固定共軛距离法.
7. 附加已知焦距透镜法.
8.反转法.
9.光栅法.
10.激光散斑法.11.莫尔条纹同向法.
(一)放大率法测量原理
是目前最常用的方法,主要用于测量望远物镜,照相物镜,目镜的焦距(EFL)和后截距(BFL).也可以用于生产中检验正,负透镜的焦距(EFL)
和后截距(BFL).
被测透镜或物镜位于平行光管前, 平行光管物镜焦面上分划板的一对刻线就成像在被测物镜的焦面上.这对刻线的间距y和它的像的间
距y¹与平行光管物镜焦距f c和被测物镜的焦距f¹有如下关系:
y¹/y = f¹/f¹
c 或 f¹ = f¹
c
(y¹/y)
必须指出,由于负透镜成虚像,用测量显微镜观测这个像时, 显微镜的工作距离必须大于负透镜的焦距.
-3-
(二)一种简易测量焦距的方法
在没有光具座的情况下,可用下面简易方法,但精度差.
方法:用两次测量不同物距上被测物镜的横向放大率求焦距.
根据高斯公式: F*=βX=-X*/β可得
F*=E/γ2-γ1
γ1=1/β1=Y1/Y1 , γ2=1/β2=Y2/Y2*
A. 这种方法存在理论误差,必须要加以修正. 修正系数为:√1+(H/F*)2,所
以:
F*实际=F*×√1+(H/F*)2
B. 镜头的球差对测量有很大影响,所以测出的焦距值是近似值.
C. 测量人员的技术和对E,Y1,Y2,Y1*,Y2*测量的准确性非常重要,否则测
出的焦距值将远远偏离真正值,而不能相信和使用.
D. 焦距的准确测量,必须在光具座上用其它方法进行.
E. 为了用这种方法测量, 必须有以下设备:简易导轨,夹持器,白色屏幕,有
毫米刻度的物,精度为0.01mm的长度量测仪器.
F. 要多次重复量测,取平均值.
二.星点检验
(一)原理
星点检验法是对光学系统进行像质检验的常用方法之一,在光学系统设计,制造及使用中,人们关心的是其像质,並希望将像质与各种影响
因素联系起来,借以诊断问题,提出改进措施, 星点检验在一定程度上可
胜任上述工作.
光学系统对非相干照明物体或自发光物体成像时,可将物光强分布看成是无数多个具有不同强度的独立发光点的集合,每一个发光点经
光学系统后,由于衍射和像差以及工艺庇病的影响,在像面处得到的星点
像光强分布是一个弥散斑,即点扩散函数(PSF).
像面光强分布是所有星点像光强的叠加结果.因此, 星点像光强
分布规律决定了光学系统成像的清晰程度,也在一定程度上反映了光学
系统成像质量.上述点基元观点是进行星点检验的依据.
-4-
按点基元观点,通过考察一个点光源(星点)经过光学系统所成像,以及像面前后不同截面衍射图形的光强变化及分布,定性地评价光学系统成像质量,即是星点检验法.
上面图形是艾里斑光强分布.
(二)星点检验装置
1.平行光管,
2.光源,
3.星孔(星点板),
4.观察显微镜.
对平行光管的要求:物镜像质要好,通光孔径要大于被检镜头
.并用聚光镜照明星孔.
星孔直径应小于:D max=0.61λf¹/D其中D---被检镜头入瞳直径
f¹---平行光管物镜焦距
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对观察显微镜的要求: 数值孔径NA等于或大于被检镜头的像方
孔径角. 显微镜总放大率应为:
Γ=(250~500)D/f¹.
D/f¹---被检镜头的相对孔径.
星点检验能判定: (1)光学系统的共轴性
(2)球差
(3)位置色差
(4)慧差
(5)像散
(6)其它工艺疪病
-6-
-7-
四．分辨率检测
分辨率检测可给出像质的数字指标，容易测量与比较。
对于像差较大的光学系统，分辨率会随着像差增大而有明显的变化。
由于分辨率检测的灵敏度不如星点法，以其评价像质具有局限性。
但因其检测装置简单，可定量测量，且比较直观，故仍是检测光学系统像质的方法之一。
（一）原理
一发光物点经衍射受限系统成的像为一艾里斑，两个靠得很近的独立发光物点的艾里斑，其重叠部分的光强为两个艾里斑光强之和。
分辨两个衍射斑的前提条件是其重叠部分的光强对比度k应大于人眼的对比灵敏度。
其判断标准如下：
1．瑞利判断-----分辨条件是k =15%，两衍射斑的中心距为：
σ=1.22λF
.2. 道斯判断-----分辨条件是k =2.6%，两衍射斑的中心距为：
σ=1.02λF
.3.斯派罗判断-----分辨条件是k =0，两衍射斑的中心距为：
σ=0.95λF
通常以道斯判断作为光学系统的目视衍射分辨率或称理想分辨率.
1.望远系统
a=1.02λF/D
2.照相物镜
N=1/1.02λF
3显微系统
ε=1.02λ/2NA
（二）分辨率图案（省略）
（三）分辨率的检测
1．望远系统分辨率的检测
（1）检测望远物镜的分辨率
检测装置：光具座: 分辨率板+平行光管+夹持器+观测显微镜
通过观测显微镜看栅格分辨率板,逐组分辩,直到将能分清某
单元4个方向上的线条,而下一个单元线条不能全分辨为止.
依据该单元线条宽度和平行光管焦距,求得远物镜的分辨率.
a=2b×10-3×260265”/f c¹2
(2) 检测望远系统的分辨率
检测装置：光具座: 分辨率板+平行光管+夹持器+前置镜
方法同上.
-8-
2.照相物镜分辨率的检测
(1) 在光具座上检测目视分辨率
检测装置：光具座: 分辨率板+平行光管+夹持器+观测显微镜
测轴上点时,方法同上.
N=N0f¹c/f¹(m m-1)
N0=1000/2b
测轴外点时,须将被检物镜的后节点调到夹持器的转
轴上,转动夹持器以获得视场角ω的斜光束入射,同时
要把观测显微镜后移一个距离Δ,
Δ=[(1/cosω)-1]f¹
N t=(1/2b t)(f c¹/f¹)cos2ω
N s=(1/2b s)(f c¹/f¹)cosω
五.入瞳直径测量(EPD)
入瞳直径不能直接进行测量,必须在光具座上进行,並且方法比较复杂.
现在介绍一种简易方法,近似地测量出入瞳直径的大小.装置如图:
1-光源, 2-微小光栏孔, 3-被测物镜, 4-屏幕.
测出屏幕上圆孔像的直径(单位:mm)大小,它近似地为入瞳大小.
F/NO的计算
F/NO = 圆孔像的直径/F*实际
计算出的F/NO为被测物镜F/NO之近似值.
予飞制作
-9-。