第十讲典型光学系统详解课件

2024/7/151第七章第七章 典型光学系统典型光学系统绝大多数光学系统的作用：绝大多数光学系统的作用：成像成像按按照照成成像像接接收收器器的的情情况况眼镜作为系统的光能接收器，眼镜作为系统的光能接收器，称为称为“目目视光学系统视光学系统”，如：放大镜、显微镜、，如：放大镜、显微镜、望远镜等望远镜等感光底片作为光能接收器，感光底片作为光能接收器，如各类摄像如各类摄像系统，投映系统及放大系统系统，投映系统及放大系统本章的重点：本章的重点：l典型光学系统的成像特性和设计要求典型光学系统的成像特性和设计要求l物镜及目镜的结构型式及其主要光学参数物镜及目镜的结构型式及其主要光学参数2024/7/154u这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能力的，称这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能力的，称为为目视光学系目视光学系统统 7-1 人眼的光学特性人眼的光学特性一、眼睛的结构一、眼睛的结构成像光学系统成像光学系统 人眼本身相当于摄影光学系统人眼本身相当于摄影光学系统 在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看作成像元。作成像元。2024/7/155人眼的构造剖视图2024/7/156人眼的构造剖视图巩膜巩膜*巩膜是眼球巩膜是眼球(2.4cm)的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；角膜角膜*角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；(曲率半径约曲率半径约8mm)眼睛内的折射主要发生在角膜上；眼睛内的折射主要发生在角膜上；脉络膜脉络膜*脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；（不透明、使脉络膜是眼球的第二层膜，上面有供给眼睛营养的网状微血管；（不透明、使眼内成为眼内成为暗房暗房）2024/7/157人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜*虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；瞳孔瞳孔*瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的膜肌肉能使瞳孔的直径在直径在28mm范围内变化范围内变化；它是人眼的它是人眼的孔径光阑。孔径光阑。2024/7/158人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜细胞细胞，锥状细胞直径约，锥状细胞直径约5微米，长约微米，长约35微米；微米；杆状细胞直径约杆状细胞直径约2微米微米脉络膜脉络膜，长约，长约60微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹黄斑中心凹处处虹膜虹膜瞳孔瞳孔视网膜视网膜*视视网膜是眼球的第三层膜，布满着感光元素，即网膜是眼球的第三层膜，布满着感光元素，即锥状细胞锥状细胞和和杆状杆状是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞是锥状细胞的密集区而没有杆状细胞，由中心向外，逐渐相对变化；由中心向外，逐渐相对变化；黄斑中心凹黄斑中心凹2024/7/159人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 光脉络膜脉络膜 盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。视神经细胞晶状体晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体，黄斑中心凹黄斑中心凹神经纤维盲斑盲斑大脑盲斑盲斑晶状体晶状体2024/7/1510人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高脉络膜脉络膜 成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是睫状肌虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体2024/7/1511人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液；脉络膜脉络膜 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜总能将像成在网膜上。黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室2024/7/1512人眼的构造剖视图人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 脉络膜脉络膜眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的视轴视轴,在观察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室1.3761.3361.336光轴光轴视轴视轴几个概念：几个概念：盲点：盲点：视神经进入眼球的地方，不引起视觉。视神经进入眼球的地方，不引起视觉。黄斑：黄斑：在眼球光轴上方附近有一直径为在眼球光轴上方附近有一直径为2mm的黄色区域的黄色区域中央窝：中央窝：黄斑中心有一直径为黄斑中心有一直径为0.25mm的区域，视觉最灵敏。的区域，视觉最灵敏。光轴：光轴：光学系统的对称轴。光学系统的对称轴。视轴：视轴：眼球光学系统的节点与黄斑中心窝的连线。与光轴的夹眼球光学系统的节点与黄斑中心窝的连线。与光轴的夹角约为角约为5。2024/7/1514 眼睛的视场很大，可达眼睛的视场很大，可达150，但只有，但只有黄斑附近黄斑附近才能清晰识别，其才能清晰识别，其他部分比较模糊，他部分比较模糊，所以能看清物体的角度范围为所以能看清物体的角度范围为6 8。从光学角度看，眼睛中最主要的是：从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视网膜和瞳孔。水晶体、视网膜和瞳孔。眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：角膜、晶状体角膜、晶状体虹膜、瞳孔虹膜、瞳孔视网膜视网膜物镜物镜孔径光阑孔径光阑感光底片感光底片2024/7/1515人眼相当于一架照相机，它可以自动对目标调焦人眼相当于一架照相机，它可以自动对目标调焦照相机中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成照相机中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像倒像但我们感觉为什么还是正立的？但我们感觉为什么还是正立的？这是视神经系统内部作用的结果。这是视神经系统内部作用的结果。n=1.33n=1.0R=5.56R=9.7简约眼简约眼眼睛简化成一个折射球面的模型称为简约眼。眼睛简化成一个折射球面的模型称为简约眼。折射面曲率半径折射面曲率半径:5.56mm像方介质折射率像方介质折射率:1.333视网膜曲率半径视网膜曲率半径:9.7mm物方焦距物方焦距:-16.7mm像方焦距像方焦距:22.26mm光焦度光焦度:59.88D人眼光学系统的模型：人眼光学系统的模型：f=-17mmf =23mm简约眼模型简约眼模型2024/7/1518 二、眼睛的调节及矫正：二、眼睛的调节及矫正：远点远点：当眼睛处于肌肉完全放松时所能看清最远的点称为远点,用r表示。眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦的过程称为眼睛的调节。眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦的过程称为眼睛的调节。近点近点：当眼睛处于肌肉最紧张时所能看清的最近点称为近点，用p表示。眼睛的焦距变化眼睛的焦距变化18mm-23mm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lr和近点距离l lp p。其倒数R=1/lr，P=1/lp分别表示远点和近点的发散度(会聚度)，单位为屈光度(D)。1D为为100度度。调节能力A、R、P的单位是屈光度的单位是屈光度（D），），眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围眼睛在不同年龄时的调节能力和调节范围年年 龄龄1020304050607080近点距近点距(cm)-7-10-14-22-40-20010040远点距远点距（cm)2008040A=R-P(屈光度)141074.52.510.250视度：视度：非正常眼的程度，用远点距离的倒数表示。单位为屈光度(D)。1D为100度。例：远点为2m的近视眼，所需眼镜的光焦度为-0.5D，即50度。光焦度明视距离明视距离是指正常的眼睛在正常照明是指正常的眼睛在正常照明(50lx)下的工作距离，为下的工作距离，为250mm眼睛的缺陷及校正：眼睛的缺陷及校正：)(5.01211111-=-=-=mllff这里这里必须指出必须指出，近点距离，近点距离并不是并不是明视距离明视距离 例：一个人的眼睛远点距为眼前0.2m，应配何种眼镜？多少度的近视眼镜？光焦度将远点恢复到无穷远：即应配-500度的近视眼镜。例：已知远视眼的近点距离为眼前例：已知远视眼的近点距离为眼前1.25m,应配多应配多少度的眼镜，才能将近点矫正到少度的眼镜，才能将近点矫正到250mm处？处？24三、眼睛的功能三、眼睛的功能辐射接收器：辐射接收器：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。眼睛的适应眼睛的适应对各种光亮环境的适应能力，亮度比可达1012:1光谱光效率函数曲线4005006007008000.00.20.40.60.81.0光谱光效率l(nm)亮适应：暗处到明处，过程很快，几分钟；暗适应：明处到暗处，过程较慢，极限60分钟。为什么暗环境下能做饭、洗衣，但不能描龙绣凤？锥状细胞：感受强光，对555nm最灵敏；杆状细胞：感受微光敏锐，对510nm最灵敏，但分辨细节能力差因此，在黄昏视觉下，光谱敏感度曲线向短波方向偏移，称波涅金效应实物成实像，倒像实物成实像，倒像瞳孔大小可根据光的强弱变化瞳孔大小可根据光的强弱变化1mm8mm。视场大小：黄斑处视场大小：黄斑处68，视网膜，视网膜120人眼的感光域值：人眼的感光域值：10-9勒克斯，相当于勒克斯，相当于30km处的一支处的一支蜡烛光，杆状细胞的作用。蜡烛光，杆状细胞的作用。人眼的辨色：锥状细胞的作用。人眼的辨色：锥状细胞的作用。人眼成像的特性人眼成像的特性2024/7/1527四、眼睛的分辨率四、眼睛的分辨率眼睛刚能分辨最靠近两相邻点的能力称为眼睛的分辨眼睛的分辨率，又称视觉敏锐度。率，又称视觉敏锐度。刚能分辨的二个点对眼睛物方节点的张角称为极限分辨角极限分辨角。二者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，称作视角视角；人眼能分辨的物点间最小视角，称作视角鉴别率视角鉴别率。视觉敏锐度设计目视光学仪器时应注意：设计目视光学仪器时应注意：=被观察物体所需的分辨率光学系统的放大率眼睛分辨率2024/7/1529目视光学仪器视度调节目视光学仪器视度调节p人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正p目视光学仪器要适应不同视力的人使用目视光学仪器要适应不同视力的人使用p为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪器所为此，目镜可以改变其前后的位置，使仪器所成的像不再位于无限远，而位于目镜的前方或成的像不再位于无限远，而位于目镜的前方或后方一定的位置后方一定的位置p这就是目视光学仪器的视度调节这就是目视光学仪器的视度调节2024/7/1530经常需要将一条直线重合到另一经常需要将一条直线重合到另一条直线，但是，条直线，但是，要使两条直线完要使两条直线完全重合是不可能的全重合是不可能的眼睛虽具有发现一个平面上两眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，但根平行直线的不重合能力，但也有一定的限度也有一定的限度这个不重合限度的极限值这个不重合限度的极限值称为人眼的瞄准精度。人眼的瞄准精度一般用人眼的瞄准精度一般用角度值角度值来表示来表示 五、眼睛的对准精度五、眼睛的对准精度2024/7/1531即即两线宽的两线宽的几何中心线几何中心线对人眼对人眼的的张角张角小于某一角度值小于某一角度值时，时，虽然还虽然还存在存在着不重合，但眼睛着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的，这时已经认为是完全重合的，这时角度值即为角度值即为人眼瞄准精度人眼瞄准精度。人眼对于人眼对于线条的变形线条的变形或或两条线错开两条线错开造成造成的外形变化或的外形变化或比较两条线宽的变化比较两条线宽的变化具有具有很高的灵敏度。很高的灵敏度。人眼通过两物的比较发现它们外形变化人眼通过两物的比较发现它们外形变化的能力比的能力比分辨分辨它们要强得多。它们要强得多。测量工作中，为了读数，常常采用某种标志对目标进行对准或重合，这种重合或对准的过程，就称为瞄准。而由于受人眼分辨率的限制，把两根线完全重合是不可能的，偏离于完全重合的程度就称为瞄准精度。瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的1/6到1/10。瞄准精度和前面讲到的分辨率是不是一个概念？六、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，称作眼睛的眼睛的景深景深。远景和近景到人眼的距离分别为：所以，远、近景深度分别为：七、双目立体视觉：1.1.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：单目视觉：单眼观察物体不能产生立体视觉。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：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。立体视差：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。视差越大，感觉两物体的纵向深度越大；反之，越小。体视锐度体视锐度：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：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。2.2.立体视觉的产生：立体视觉的产生：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y y i i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yye e之比。之比。7-2 放大镜放大镜由上图可知：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。（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（3）常用放大镜。倍率一般为2.5-25倍。单透镜作为放大镜，一般不超过3倍。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。所以，但50渐晕时，物位于物方焦点，则视场为：讨论：该如何选择其放大倍率？线视场放大镜半径放大倍率人眼与放大镜的距离常用的放大镜，倍率在2.525。单透镜作放大镜，通常不超过3。7-3 显微镜系统一、一、显微微镜的的组成：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。1.成像原理成像原理物镜目镜 眼睛通过目镜看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的眼睛通过目镜看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的像。因此，目镜的成像光束是被物镜限制了的。像。因此，目镜的成像光束是被物镜限制了的。二、视觉放大倍率二、视觉放大倍率系统的组合焦距显微镜是一个复杂的放大镜机械筒长机械筒长：物镜支承面到目镜支承面之间的距离；我国规定160mm。光学筒长光学筒长：物镜像方焦点到目镜物方焦点之间的距离。共轭距：共轭距：通用显微镜从物平面到像平面的距离。3.3.显微镜的机构显微镜的机构物镜：通过旋转式转换器接到镜筒的下端面 目镜：插入式 满足齐焦要求：调换物镜后，不需要调焦就能看到像。什么是齐焦要求？设计显微镜时的要求：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（1）物镜调换后，像面不动，物面不动 物镜共轭距不变（195mm)；（2）物镜像面即目镜前焦面不动在上端面以下10mm处；（3）机械筒长：上下端面 之间的距离（160mm），有的显微镜机械筒长可调 调换物镜（目镜）后微调焦不可避免，故还必须有微动机构（4)物镜的外壳要求保证经物镜所成的实像面有固定的位置。4.4.显微镜与放大镜的比较显微镜与放大镜的比较（1）具有更大的放大率，二次放大；（2）人眼离物面较远，使用方便；（3）物镜和目镜可调换，从而得到多种放大率；（4）具有中间实像面，可放置分划板，用于测量（构成测微目镜）（5）通过目镜的离焦，可把微小物体经二次放大以后的实像显示出来。三、显微镜的光束限制：三、显微镜的光束限制：（1 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对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑；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。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。所以，视觉放大率越大，物空间的线视场越小。（3 3）显微镜的景深：）显微镜的景深：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、显微镜的放大率越高、NA越大，景深越小越大，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/NA所以，显微镜的分辨率取决于数值孔径NA，与目镜无关。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）。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