工程光学第七章教材课件

第七章第七章 典型光学系统典型光学系统1主 要 内 容 一、眼睛及其光学系统 二、放大镜 三、显微镜系统 四、望远镜系统 五、目镜 六、摄影系统 七、投影系统2 7.1 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统一、眼睛的构造一、眼睛的构造3n人眼是与目视光学系统配合一起使用的，眼睛相当于目视光学系统的光能接收器，它本身相当于摄影光学系统。n人眼光学系统的模型：f=-17mmf =23mm简约眼模型简约眼模型视网膜上所成的像是倒像，由于神经系统的作用，使感觉仍为正立。人眼的视场达150，但只在视轴周围68的范围内能清晰识别，其他部分较模糊。观察物体时，眼球会自动转动。4二、眼睛的功能：二、眼睛的功能：视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器辐射接收器。杆状细胞杆状细胞对光刺激非常敏感，但完全对光刺激非常敏感，但完全不感色不感色；锥状细胞锥状细胞的感光能力的感光能力差很多差很多，但对各色光有不同的感受。，但对各色光有不同的感受。1.眼睛的适应能力（动态范围）眼睛的适应能力（动态范围）眼睛对空间光亮情况的自动适应程度眼睛对空间光亮情况的自动适应程度适应适应。适应分为适应分为暗适应暗适应和和明适应明适应两种：两种：暗适应：暗适应：发生在由明发生在由明暗时，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，暗时，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，经一定时间才能适应，约经一定时间才能适应，约60分钟后，敏感度达最大。分钟后，敏感度达最大。明适应：明适应：适应过程较快，几分钟即可，但敏感度大大降低。适应过程较快，几分钟即可，但敏感度大大降低。*眼睛能感受的光亮变化非常大，可达眼睛能感受的光亮变化非常大，可达1012:1。5 2.眼睛的调节能力眼睛的调节能力1）调调节节：眼睛本能地改变光焦度（焦距）以看清不同远近物 体地过程。在眼球内，水晶体到视网膜的距离时不变地，在观察远近物体时，必须自动调焦来改变水晶体的焦距。肌肉用力，曲率增大，可看清近物；肌肉放松，曲率减小，可看清远物。远点：f 23mm；近点：f 18mm。眼睛的调节能力用能清晰调焦的极限距离表示，即远点距离远点距离lr和近点距离近点距离lp。令：R=1/lr，P=1/lp。分别为远点和近点的会聚度，则调节能力为：62）眼睛的缺陷及校正：眼睛的缺陷及校正：n明视距离：在阅读或通过目视光学仪器观测物像时，为了工作舒适，习惯上把物或像置于眼前250mm处，这个距离即为明视距离。n眼睛光学系统的后焦点在视网膜上，称为正常眼；反之，称为反常眼。近视眼及校正：远点位于眼前有限远处。由于眼球过长，后焦点位于视网膜之前所致。校正：加负透镜。远视眼及校正：远点位于眼后有限远处。由于眼球过短，后焦点位于视网膜之后所致。校正：加正透镜。7散光及校正：水晶体两表面不对称，使细光束在两个主截面 的光线不交于一点。校正：加圆柱面或双心圆柱面透镜。三、眼睛的分辨率：三、眼睛的分辨率：眼睛的分辨率：眼睛的分辨率：眼睛能分辨开两个最靠近点的能力。极限分辨角：极限分辨角：刚好能分辨开的二点对眼睛物方节点所张的 角。分辨率与分辨角成反比。视网膜上的最小鉴别距离至少等于两个视神经细胞的直径，约0.006mm。物体对人眼的张角，称作视角；人眼能分辨的物点间最小视角，称作视角鉴别率。8四、眼睛的景深：四、眼睛的景深：当眼睛调焦在某一对准平面时，眼睛不必调节能同时看清对准平面前后某一距离的物体，称作眼睛的景深眼睛的景深。远景和近景到人眼的距离分别为：所以，远、近景深度分别为：9五、双目立体视觉：五、双目立体视觉：1.立体视觉：立体视觉：对于物体位置的空间分布及对物体的体积感觉。单目视觉：单眼观察物体不能产生立体视觉。单目对物体远近的判断，是通过眼睛（水晶体曲率的变化）的调节产生的。所以，判断很粗略，不超过5米。对远且熟的物体，通过物体的张角来估计；对非常熟的物体，通过细节来估计。（经验和想象）双目视觉：两眼分别产生一个像，再汇集到大脑称为一个像。这种印象处于心理和生理。视差角：双目观察物点A时，两眼视轴的夹角。102.立体视觉立体视觉的产生：的产生：n立体视差：不同距离的物体对应不同的视差角，其差异称为立体视差，简称视差。视差越大，感觉两物体的纵向深度越大；反之，越小。n体视锐度：人眼能感觉的视差的极限值min。大约10。不能产生体视感觉的几种情况：如右图，C、D两点的像在右眼重合；两物体横向距离太远；物体位于两眼的垂直平分线上；两物体之一为直线，且与两眼中心 连线平行。11 7.2 放大镜放大镜一、视觉放大率一、视觉放大率n人眼感觉物体的大小取决于其人眼感觉物体的大小取决于其像在视网膜上的大小像在视网膜上的大小，当光，当光学系统的焦距一定时，也取决于物对人眼的学系统的焦距一定时，也取决于物对人眼的张角的大小张角的大小。n物对人眼的视角取决于距离，二者之间成反比。物对人眼的视角取决于距离，二者之间成反比。n目视光学仪器，可以扩大人眼的视觉能力；目视光学仪器，可以扩大人眼的视觉能力；其像对人眼的其像对人眼的张角大于人眼直接观察时物对眼的张角。张角大于人眼直接观察时物对眼的张角。视觉放大率视觉放大率：用仪器观察物体时，视网膜上的像高用仪器观察物体时，视网膜上的像高yi与人眼与人眼 直接观察时的视网膜上的像高直接观察时的视网膜上的像高ye之比。之比。12由上图可知：而以眼睛直接观察时：所以，视觉放大率为：式中，D为明视距离，250mm。13（1）在实际使用中，物大致位于物方焦点处：l=（2）有时，人眼把物像调焦到明视距离：P l=D一般看书时：P=0二、光束限制与视场二、光束限制与视场 人眼的眼瞳可以作为人眼的眼瞳可以作为孔径光阑孔径光阑，也是出瞳；，也是出瞳；放大镜的镜框作为放大镜的镜框作为视场光阑视场光阑，既是出射窗有时入射窗。，既是出射窗有时入射窗。所以，物平面的成像范围（视场）由镜框、眼瞳及它们之间所以，物平面的成像范围（视场）由镜框、眼瞳及它们之间的距离的距离P决定。决定。14所以，但50渐晕时，物位于物方焦点，则视场为：15 7.3 显微镜系统显微镜系统一、显微镜的组成：一、显微镜的组成：显微镜是由物镜、目镜和照明系统三部分组成。物体经显微镜的物镜放大成像后，其像再经目镜放大以供人眼观察。16二、显微镜的视觉放大率：二、显微镜的视觉放大率：上式中：250mm为明视距离；f0和fe为物镜、目镜的焦距；为物镜与目镜的焦点间隔。显微镜的组合焦距为：f f0 fe/，则故可以把显微镜看作是组合放大镜。机械筒长：物镜支承面到目镜支承面之间的距离；我国规定160mm。光学筒长：物镜像方焦点到目镜物方焦点之间的距离。17光学筒长光学筒长的选择：的选择：n光学筒长光学筒长的选择应满足的选择应满足齐焦条件齐焦条件 不同焦距或放大率的物镜，由物平面到像平面的距离（共不同焦距或放大率的物镜，由物平面到像平面的距离（共轭距）均应相等，我国规定轭距）均应相等，我国规定195mm。物镜的外壳要求保证经物镜所成的实像面有固定的位置。物镜的外壳要求保证经物镜所成的实像面有固定的位置。目镜的物方焦平面与物镜的像面重合。目镜的物方焦平面与物镜的像面重合。三、显微镜的光束限制：三、显微镜的光束限制：（1）孔径光阑：）孔径光阑：对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑；对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑；对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑；对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑；或专门设置孔径光阑（在像方焦平面上）。或专门设置孔径光阑（在像方焦平面上）。*观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像)重合。重合。18n出瞳的直径：由正弦条件：nysinu=nysinu，得：D=500NA/mm 式中：NA=nsinu称作数值孔径，是一个重要参数。一般小于眼瞳的直径，只在低倍时才大于眼瞳直径。（2 2）视场光阑与视场）视场光阑与视场 视场光阑一般专设在物镜的像方焦平面上。所以，入射窗与物平面重合，可以观察到清晰的界限和照度均匀的视场。视场光阑的大小应与目镜的视场角一致，此时，视场为：所以，视觉放大率越大，物空间的线视场越小。19（3 3）显微镜的景深：）显微镜的景深：n当把显微镜调焦到某一平面时，在对准平面前后的一定范围内也能成清晰的像，这一范围称为显微镜的景深。故，显微镜的放大率越高、NA越大，景深越小。景深大小决定显微镜的调焦误差，景深越大，调焦误差越大。一般显微镜的景深最大不超过0.5mm。四、显微镜的分辨率和有效放大率：四、显微镜的分辨率和有效放大率：分辨率以它所能分辨的两点之间最小距离表示：瑞利判据：=0.61/NA 道威判据：=0.5/NA20n所以，显微镜的分辨率取决于数值孔径NA，与目镜无关。n目镜只是把物镜的像放大，放大倍率再高也不能把物镜不能分辨的物体细节看清。有效放大率：为充分利用物镜的分辨率，使被物镜分辨出的细 节同时能被眼睛看清，满足这一条件的放大率。若眼睛的分辨角距离为：24，照明波长为0.555m，可得：四、显微镜的照明方法：四、显微镜的照明方法：显微镜对照明的要求：足够的亮度；照明均匀；有一定的孔径角，且与物镜相配合；有一定大小的照明范围（视场）。21常用的照明方法：透射光亮视场照明；反射光亮视场照明；透射光暗视场照明；反射光暗视场照明。其中，第一种照明方法应用较多，照明方式分为两种：临界照明和柯勒照明。临界照明柯勒照明22 7.4 望远镜系统望远镜系统一、一般特性：一、一般特性：望远镜的组成：由物镜和目镜组成。物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隙=0。开普勒望远镜开普勒望远镜23伽利略望远镜伽利略望远镜望远系统的视觉放大率为：所以，视觉放大率仅取决于结构参数。目镜焦距大于6mm，故手持望远镜一般不超过8倍。24二、分辨率及工作放大率：二、分辨率及工作放大率：n望远系统的分辨率用极限分辨角表示。对于=0.555m的光线，由瑞利判据、道威判据得到的极限分辨角分别为：n由于人眼的视觉分辨率为60，在增大物镜口径以提高望远系统分辨率的同时，必须增大望远系统的视觉放大率，才能符合人眼分辨率的要求。n视觉放大率和分辨率的关系为：所以，入射光瞳直径越大，极限分辨率越高。所以，为了观察方便：25注意：在望远系统分辨率一定时，过高的增大视觉放大率，也不会看到更多细节。三、望远镜的视场：三、望远镜的视场：（1）对于开普勒望远系统：物镜框是孔径光阑，也是入瞳；出瞳在目镜以外，与人眼重合；目镜框是渐晕光阑，一般要求有50的渐晕。物镜后焦面可放置分划板，其框为视场光阑。26物方视场角满足：式中：y为视场光阑的半径。开普勒望远镜的视场一般不超过15，观察时，眼瞳必须位于出瞳处，才能观察到全视场。（2）对于伽利略望远系统：27n一般以人眼的瞳孔作为孔径光阑，又是出瞳；物镜框为视场光阑，又是入射窗。n由于视场光阑与物面不重和，因此，对大视场有渐晕现象。n当视场有50%渐晕时，其视场角为：式中：L为机械筒长；lz2为眼睛到目镜的距离。所以，伽利略望远镜的视觉放大率越高，视场越小。故伽利略望远镜的视觉放大率一般不大，仅用于剧场、体育场使用。注意：开普勒望远镜成倒像，需加转像装置，如转像棱镜；伽利略望远镜成正像，但无法安装分划板，应用较少。28 7.5 目镜目镜一、目镜的作用：一、目镜的作用：目镜的作用类似于放大镜，把物镜所成的像放大在人眼的远点或明视距离上以供人眼观察。二、目镜的主要光学参数：二、目镜的主要光学参数：目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外的光学系统。其轴上像差不大，结构复杂时，较易校正像差。（1）目镜的视场：一般在4050，广角目镜达6080。（2）镜目距：表示出瞳到目镜后表面的距离。相对镜目距：镜目距与目镜焦距之比。（3）工作距lF：目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离。一般工作距应大于视度调节的深度（适应近视、远视要求），视度调节范围在5D。29（4）视度调节移动量：三、常用的目镜：三、常用的目镜：常用的目镜有：惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、常用的目镜有：惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、对称式目镜、无畸变目镜、广角目镜等。对称式目镜、无畸变目镜、广角目镜等。惠更斯目镜惠更斯目镜30 7.6 摄影系统摄影系统一、摄影系统：一、摄影系统：1.摄影系统的组成：摄影系统是由摄影物镜和感光元组成。感光元包括：感光胶片、CCD传感器、电子光学变像管、电视摄像管等。常见的摄影系统有：照相机、摄影机、显微照相系统、制版光学系统、航空摄影系统、水下摄影系统、空中侦察系统、测绘光学系统和信息处理系统等。2.摄影物镜的光学特性：摄影系统以摄影物镜（镜头）为主要部件。主要参数包括：焦距f、相对孔径D/f和视场角2。31(1)视场视场:视场的大小由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。像与焦距的关系：远景时，像的大小为：近景时，像的大小为：所以，焦距与像的大小成正比。接收器尺寸与视场的关系：感光元件框是视场光阑，它决定了像空间的成像范围。当感光元件尺寸一定时，物镜的视场角取决于焦距的大小。物在无穷远时，物在有限远时：所以，焦距与视场成反比。32(2)分辨率分辨率:摄影系统的分辨率取决于物镜的分辨率和接收器的分辨率。分辨率是以像平面上单位长度能分辨的线对数来表示。设，物镜的分辨率为NL，接收器的分辨率为Nr,则，由瑞利准则，物镜的理论分辨率为：取0.555m，所以，相对孔径（光圈）越大，物镜的分辨率越高。33(3)像面照度像面照度:摄影系统的像面照度取决于相对孔径。当物体无限远时：对于大视场的边缘照度小于中心照度：所以，可用可变光阑作为孔径光阑控制相对孔径的大小，以改善像面的照度。3.摄影物镜的景深：由此可见：焦距越长，景深越小；对准距离越远，景深越大。选用的光圈F越大，景深越大。347.7 投影系统：投影系统：n倒置的摄影系统，主要部件是投影物镜。n主要参数：焦距、图片尺寸、孔径和放大率。n相互关系：放大率越大，焦距越短；图片到屏幕的距离越大，焦距越长；当图片尺寸一定时，视场与焦距成反比。n系统要求：像差要求、照明要求。投影屏上照度应均匀、且足够大，需使用大孔径角的照明系统和适当的光源。投影物镜类似倒置的摄影物镜，对像差要求严格，结构复杂，常使用柱面透镜。注意：投影物镜不能使用光阑位置的改变校正像差。35