工程光学 典型光学系统

,单击此处编辑母版文本样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工程光学 典型光学系统,2024/9/12,2,2024/9/12,3,由于成像理论的逐步完善，构成了许多在科技和经济中得到广泛应用的光学系统，例如放大镜、显微镜、望远镜、摄影仪器和投影仪器等。,本章主要学习这些光学系统的,成像特性和设计要求,，组成这些光学系统的,物镜和目镜的结构型式及其主要光学参数,等。,2024/9/12,4,已学过：折射定律,单个折射球面,理想光组,平面系统,光束限制,像差,根据光学基本理论，,将光学元件合理组合,，得到光学仪器。,由使用要求决定成像要求，,根据成像要求,设计光学系统。,设计过程就是合理的组合过程,。,目的：组成仪器，得到实际应用的光学系统,2024/9/12,5,7-1,人眼及其光学系统,一、眼睛的结构,成像光学系统,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作成像元。,人眼的构造剖视图,2024/9/12,6,人眼的构造剖视图,*,巩膜是眼球的第一层保护膜，白色、不透明、坚硬；,*,角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明；眼睛内的折射主要发生在角膜上；,巩膜,角膜,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；,7,人眼的构造剖视图,*,虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；,巩膜,角膜,脉络膜,虹膜,瞳孔,*,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,直径在,28mm,范围内变化,；,它是人眼的,孔径光阑,。,2024/9/12,8,人眼的构造剖视图,细胞，锥状细胞直径约,5,微米，长约,35,微米；杆状细胞直径约,2,微米,，长约,60,微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在,黄斑中心凹,处,*,网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状,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；,巩膜,角膜,脉络膜,虹膜,瞳孔,网膜,黄斑中心凹,9,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,光,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,瞳孔,网膜,黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。,视神经细胞,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,神经纤维,盲斑,大脑,盲斑,晶状体,10,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,脉络膜,晶状体的平均折射率为，其周围是毛状肌能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体,总能将像成在网膜上。,虹膜,瞳孔,网膜,晶状体似双凸透镜,，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折 射率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高成像质量。,黄斑中心凹,盲斑,晶状体,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满的水状液；,脉络膜,晶状体和网膜所包围的空间称为后室,;,充满的玻状体,虹膜,瞳孔,网膜,黄斑中心凹,盲斑,晶状体,前室,后室,12,人眼的构造剖视图,巩膜,角膜,脉络膜,眼睛的像方节点与中心凹的连线为眼睛的,视轴,在观察物,虹膜,瞳孔,网膜,体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。,黄斑中心凹,盲斑,晶状体,前室,后室,光轴,视轴,2024/9/12,13,眼睛的视场很大，可达,150,，但只有,黄斑附近,才能清晰识别，其他部分比较模糊， 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：,水晶体、视网膜和瞳孔。,人眼 水晶体 视网膜 瞳孔,眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：, ,照相机 镜头 底片 光阑,2024/9/12,14,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，人眼也是成倒像,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。,2024/9/12,15,标准眼,：根据大量的测量结果，定出了眼睛的各项光学常数，包括角膜、水状液、玻状液和水晶体的折射率、各光学表面的曲率半径、以及各有关距离。称满足这些光学常数值的眼睛为标准眼。,简约眼,：把标准眼简化为一个折射球面的模型。,简约眼参数,：,2024/9/12,16,二、眼睛的调节,眼睛有两类调节功能：,视度调节,和,瞳孔调节,。,1,视度调节,远近不同的物体，物距不同，则不会成像在视网膜上，这样我们就看不清。,要想看清其他的物体，人眼就要自动地调节眼睛中水晶体的焦距，使像落在视网膜上。,眼睛自动改变焦距的过程,称为,眼睛的调节,。,2024/9/12,17,正常人眼在完全放松的自然状态下，无限远目,标成像在视网膜上，即,眼睛的像方焦点在视网膜上。,在观察近距离物体时，人眼水晶体周围肌肉收,缩，使水晶体前表面半径变小,眼睛光学系统的焦距变短,，后焦点前移，,从而使该物体的像成在视网膜上。,2024/9/12,18,当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的最近的点称为,近点,，其相应的距离称为,近点距离,，以,表示（米）,正常眼睛的远点距为,负的,无限远，非正常眼睛,（远视或近视）的远点距为一,正,/,负,的有限值。,这里,必须指出,，近点距离,并不是,明视距离,当肌肉在最放松时（通过调节），眼睛所能看清的最远的点称为,远点,，其相应的距离称为,远点距离,，以,表示（米）,2024/9/12,19,明视距离,是指正常的眼睛在正常照明（约,50,勒克斯）下,最方便和最习惯的工作距离,，它等于,250mm,。,它不同于人眼的近点距，两者不能混淆,人眼的,调节能力,是用远点距离的倒数和近点距离的倒数之差来描述，用,A,来表示，即,A,称为,眼睛的调节范围或调节能力。,2024/9/12,20,当人眼观察在调解范围内的某一距离,l,处的物,体时，它总能清晰地成像在视网膜上。,l,的单位为米，则其,倒数,称为,视度,，单位为,屈光度,如观察眼前,10,米的物体，对应的视度为,屈光度。,近点距倒数 称为,近点视度,。,在医院和眼镜店通常把,1,屈光度,称为,100,度,。,人眼的调节能力随年龄的增加而变化。,随着年龄的增大，远点位置往近移，近点位置往远移，因而调节范围减少。,远点距倒数 称为,远点视度,，,2024/9/12,22,正常眼在不同年龄时的调节能力：,年,龄,(,岁,),近点距,p(,米,),(,屈光度,),远点距,r(,米,),(,屈光度,),(,屈光度,),10,-0.071,-14,0,14,20,-0.100,-10,0,10,30,-0.143,-7,0,7,40,-0.222,-4.5,0,4.5,50,-0.40,-2.5,0,2.5,60,-2.00,-0.5,2.0,0.5,1.00,70,1.00,1.00,0.80,1.25,0.25,80,0.40,2.50,0.40,2.5,0.00,2024/9/12,23,2,、眼睛的缺陷和矫正,正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远，像方焦点正好和视网膜重合,F,若不符合这一条件就是,非正常眼，或称,视力不正常,最常见的有近视眼和远视眼,2024/9/12,24,所谓,近视眼,就是其远点在眼睛前方,有限,距离处（,r, 0,），近点在明视距离以外，即,近点变远,。,这是由于眼球偏短,晶状体曲率太大,，像方焦点位于视网膜的之后所致。因此，射入眼睛的光束只有是会聚时，才能正好聚焦在视网膜上。,对应着正视度，需以,正透镜,来使其远点恢复到无限远。,远点距 的倒数，表示近视眼或远视眼的,视度,，单位为屈光度,D,，医院把,1D,称为,100,度。,统一思想：先将无限远物体成像于远点，再经远点成像于视网膜：,所需透镜（即眼镜）的焦距为：,例题,1,：一个年龄,50,岁的人，近点距离为，远点距离为无限远，试求他的眼睛的调节范围。,例题,2,：某人对其眼前,2m,远的物体看不清，另一人对其眼前以内的物体看不清，问分别需要配上怎样光焦度的眼镜才能恢复正常？,例题,2,解：,第一个为近视，所需眼镜的光焦度为,第二个为远视，所需眼镜的光焦度为,2024/9/12,27,2024/9/12,28,目视光学仪器视度调节,人眼的视觉缺陷可以在眼前加以透镜可以矫正,目视光学仪器要适应不同视力的人使用,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后方一定的位置,这就是目视光学仪器的视度调节,2024/9/12,29,物镜,目镜,正常眼,近视眼,远视眼,F,眼,F,眼,F,眼,2024/9/12,30,三眼睛,辐射接收器,人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。,这就是人眼的另一个特性,，,具有对周围空间光亮情况适应的过程,称为,适应,（即为,瞳孔的调节,）。,适应有暗适应和亮适应两种，前者发生在自亮处到暗处时，过程较慢，极限为,60,分钟；后者发生在自暗处到亮处时，过程较快，只需要几分钟。,人眼最敏感的波长为，,555nm,。,2024/9/12,31,四、眼睛的分辨率（分辨本领）,人眼的分辨率一般用,极限分辨角,来表示。,人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学仪器设计的重要依据之一。,用其它观测设备（如照相机、,CCD,等）替代人眼时也可据此作为参考。,眼睛能分辨出两个非常近的点的能力,称为眼睛的分辨率（分辨本领）,2024/9/12,32,四、眼睛的分辨率（分辨本领）,人眼的分辨率一般用,极限分辨角,来表示。,人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学仪器设计的重要依据之一。,用其它观测设备（如照相机、,CCD,等）替代人眼时也可据此作为参考。,眼睛能分辨出两个非常近的点的能力,称为眼睛的分辨率（分辨本领）,2024/9/12,33,人眼刚能将两点分开的视角,称为眼睛的极限分辨角,人眼分辨率,与,极限分辨角,成反比,关系,现在从,两个不同的角度,来分析眼睛的极限分辨角的大小。,首先从人眼的视网膜结构上来分析：,眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛,物方节点,的张角成为两点间的,角距离,或称为,视角,2024/9/12,34,如果两个点的像分别落在被分隔开的两个视网膜细胞上，即得到,两个点的视觉,由此可见，眼睛的分辨率与视网膜上两像点,距离,及视觉细胞的,直径,大小有关,当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。,人眼的极限分辨角,可表示为,2024/9/12,35,可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的波长有关，而且还与眼睛的瞳孔直径有关。,= 50 120”,；,在,良好的照明条件,下，一般认为,= 60,”,= 1,为,人眼的极限分辨角为,。,在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。,例题：迎面而来的汽车的两个头灯，相距,1m,。问，汽车在离多远时，它们刚能为人眼所分辨？假定人眼瞳孔直径为,3mm,，光在空气中的波长为,500nm,。,作业：,求人眼可分辨明视距处的最小线距离为多少？已知人眼瞳孔直径,D,为,5mm,，人眼最敏感的波长为,550nm,，人眼的明视距离为,25cm,，视网膜至瞳孔的距离为,22mm,。,解：人眼的极限分辨角为：,设汽车在 远时刚能被人眼所分辨，则两车灯对人眼的张角为：,得,2024/9/12,37,经常需要将一条直线重合到另一条直线，但是，,要使两条直线完全重合是不可能的,眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，但也有一定的限度,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,角度值,来表示,五、眼睛的瞄准精度,2024/9/12,38,即,两线宽的,几何中心线,对人眼的,张角,小于某一角度值,时，虽然还存在着不重合，但眼睛已经认为是完全重合的，这时,角度值即为人眼瞄准精度。,人眼对于,线条的变形,或,两条线错开,造成的外形变化或,比较两条线宽的变化,具有很高的灵敏度。形成对眼睛瞄准有利的条件。,2024/9/12,39,瞄准精度,和,分辨率,是两个概念。,又有一定的联系，经验证明，,人眼的最高瞄准精度约为分辨率的,1/6,至,1/10,。,1,、两实线瞄准,60,2,、两实线端部瞄准,1020 ,4,、双线平分或对称瞄准,510,3,、叉线瞄准精度,510,2024/9/12,40,眼睛在观察物体时，除了一般的物体特征外，还能够产生远近的感觉，被称为“,空间深度感觉,”,六、空间深度感觉和双眼立体视觉,单眼或双眼都能产生这种感觉,单眼深度感觉来源：,1,）物体高度已知，它所对应的视角大小来判断其远近,2,）物体之间的遮蔽关系和阳光的阴影来判断它们相对位置,3,）对物体细节的鉴别程度和空气的透明度所产生的深度感觉,4,）眼睛的调节程度来判断物体的远近。,2024/9/12,41,双眼观察,的深度感觉除上述因素外：,5,）物体的距离越近，视轴之间的夹角越大，这种感觉使眼球发生转动的肌肉紧张程度就不同，据此就能判断物体的远近；,6,）双眼立体视觉（简称体视）,称为“,视差角,”,B,A,B,A,a2,b2,a1,b1,A,a1,a2,b,l,2024/9/12,42,其极限值,称为,“,体视锐度,”,当,A,、,B,两点距离不等时， 或,产生了远近的感觉,被称为双眼立体视觉,A,B,A,B,b2,a2,a1,b1,l,b,A,B,A,B,b2,a2,a1,b1,约为,10,”,，有可能达到,5,”,或,3,”,2024/9/12,43,当物点对应的视角差,等于 时，人眼刚能分辨出它和无限远物点之间的距离差别,即反映了人眼可能分辨出物点远近的最大距离,人眼瞳孔之间的平均距离为,b,=62mm,，,L,max,称为,立体视觉半径,2024/9/12,44,利用仪器观察物体时，必须采用双眼仪器来保持人眼的体视能力，这种仪器称为,“,双眼望远镜,”,和,“,双眼显微镜,”,利用体视仪器可以提高人眼的体视能力,双眼仪器的体视放大率,人眼直接观察时的视角差,眼,为,B,A,B,A,A,-,B,2024/9/12,45,视觉错觉,2024/9/12,46,2024/9/12,47,2024/9/12,48,2024/9/12,49,7.2,放大镜,物体对眼睛的视角，,不仅取决于物体的大小,，还取决于该,物体到眼睛的距离,，距离越近视角越大,在近处观察细小物体其,视角,小于,人眼极限分辨角,在远处观察相邻物体其,视角,小于,人眼极限分辨角,就需要借助放大镜、显微镜或望远镜将其放大，使,像的视角,大于人眼的极限分辨角,扩大视角是目视光学仪器的第一个要求,一、放大镜的工作原理,2024/9/12,50,因为眼睛通过,放大镜,或,显微镜,等目视光学仪器来观察物体时，所看到的是,在眼睛视网膜上的物体像的大小,。,放大镜的放大率应为：,通过,放大镜,观察物体时，,物体像的视角,正切,与,人眼直接观察该物体时的视角,正切,之比,。,这种放大率称为,视角放大率,。,用字母,表示,放大镜的,放大率,与眼睛一起使用的目视光学仪器，其放大作用,不能,由,横向放大率,来表征。,2024/9/12,51,物体经放大镜成像的简图,y,y,A,B,A,B,F,F,P,-,f,f,-,x,a,虚像,AB,对眼睛所张的视角的正切为,眼睛直接去观察物体时，是将其放在明视距离,250mm,处。此时物体对人眼张角的正切为,2024/9/12,52,放大镜的放大率,可由下式求得,将横向放大率 代入上式得,2024/9/12,53,由此可见，放大镜的放大率，除了和其,焦距有关,之外，还和,眼睛离开放大镜,的距离有关,在实际使用过程中，,眼瞳大致位于放大镜的像方焦点的,附近,放大镜的放大率仅由放大镜的焦距,f ,所决定，焦距越大则放大率越小。,上式分母中的,a,相对于,x,而言，是一个很小的值，可以略去。,放大镜放大率的公式，通常采用以下形式,2024/9/12,54,二、光束限制和线视场,一般情况下，眼瞳为孔阑也是出瞳，放大镜是渐晕光阑。本系统没有实像面，因此没有视场光阑。,渐晕系数,K=50%,时，,因为放大镜用于观察近距离小物体，故放大镜的视场通常用物方线视场,2y,表示。,2024/9/12,55,以,50%,时的线视场为例，有,放大镜直径大，则视场大,人眼离放大镜距离近，则视场大,放大镜倍率小，则视场大,2024/9/12,56,例题：有一焦距为,50mm,，口径为,50mm,的放大镜，眼睛到,它的距离为,125mm,，求放大镜的视放大率和视场,例题解：视放大率,线视场为：,角视场为：,2024/9/12,57,7.3,显微镜系统,对于工作在,可见光波长范围,的光学显微镜,按用途区分,，使用量较大的有,三种,：,工具显微镜,（主要应用于精密机构制造工业等方面进行精密测量）；,生物显微镜,（主要应用于生物学、医学、农学等方面）；,金相显微镜,（主要应用于冶金和机械制造工业，观察研究金相组织结构）。,显微镜是人眼的辅助工具，,显微镜的,光学系统,由,物镜和目镜,两个部分组成。,2024/9/12,58,一、,显微镜系统成像原理,显微镜和放大镜起着同样的作用,物镜,目镜,F,1,F,1,F,2,B,A,A,B,A,”,B,”,2024/9/12,59,物镜,目镜,F,1,F,1,F,2,B,A,A,B,A,”,B,”,A,B,位于目镜的物方焦点,F,2,上或在很靠近,F,2,的位置上,此像在经目镜放大为虚像,A,”,B,”,后供眼睛观察。,这说明目镜与放大镜的作用一样。 位于无穷远处或明视距离处。,2024/9/12,60,经过物镜和目镜的两次放大，所以显微镜系统,总的放大率,应该是,物镜横向放大率,和,目镜放大率,e,的乘积。,物体关于,物镜,成的像,A,B,位于,目镜,的物方焦点上或附近，此像相对于物镜像方焦点的距离为,（物镜和目镜的光学间隔），,在显微镜系统中称为,光学筒长,设物镜的焦距为,f,1,则物镜的放大率为,2024/9/12,61,物镜的像被目镜放大，其放大率为,式中：,f,2,为目镜的焦距。由此，,显微镜系统的总放大率为,可见显微镜系统的放大率与,光学筒长,成正比,，和,物镜及目镜的焦距成反比,。,式中有,负号,，即当显微镜系统具有正物镜和正目镜时（常用这种结构），则整个显微镜系统给出,倒像,。,2024/9/12,62,根据组合光组的焦距公式可知，整个显微镜的总焦距,f,和物镜及目镜焦距之间符合以下关系：,将其代入上式中，则有,它与放大镜公式具有,完全相同,的形式。显微镜系统实质上就是一个,复杂化了的放大镜,2024/9/12,63,二、显微镜的机构,物镜通过转换器旋转,式接到镜筒的下端面,目镜以插入式接镜筒的,上端面,应满足,齐焦要求,：调换物镜后，不需再调焦就能看到像。,a.,物镜调换后，像面不动，物面不动,物镜共轭距不变（,195mm),b.,物镜像面即目镜前焦面不动,在上端面以下,10mm,处,c.,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,2024/9/12,64,双目镜筒是通过加反射棱镜和平行平板实现的，要使两条光路,光程相同,金相显微镜的物镜常用前置物镜和镜筒透镜构成，前置物镜,为无穷远共轭距的,2024/9/12,65,2024/9/12,66,显微镜和放大镜的比较,具有更大的放大率，二次放大, 人眼离物面较远，使用方便, 物镜和目镜可调换，从而得到多种放大率, 具有中间实像面，可放置分划板，用于测量（构成测微目镜）, 当中间实像,A,位于,Fe,之前时，,A,”,为实像，可投影到屏上,。也可用图像传感器接收实像，构成电子目镜,三、显微镜,的光束限制,1.,孔径光阑,低倍物镜的孔径光阑,为单组物镜框本身高倍物镜的孔径光阑,多组物镜的最后一组镜框，或在,F,o,处,专设孔阑,2.,出瞳位置,相对于目镜或,F,e,位置差不多，可认为,位置在,F,总,上，人眼瞳有可能与之重合，接收所有成像光,2024/9/12,68,3,、出瞳大小,出瞳与整个系统的像方焦面重合，设像方孔径角,U,，则,满足正弦条件：,即,因为,故,2024/9/12,69,4,、显微系统的视场光阑,显微镜的线视场取决于放在目镜前焦平面上的视场光阑的大小，物体经物镜就成像在视场光阑上。,理论上，,D,越大，则,2y,越大，实际上,2y,很小。因为仅当,时，才能给出满意的像质。,设视场光阑直径为,D,，则显微镜的线视场为：,-,无渐晕光阑，视场有清晰边界,四、显微镜的分辨率和有效放大率,光学仪器的分辨率受光学系统中孔径光阑的衍射影响，点光源经任何光学系统形成的像都不可能是一个几何点，而是一个衍射斑。,其图样的光环能量分布曲线见图所示。,中央亮斑称为,爱里斑,其上集中了总能量的,83.78%,接着是第一级暗环然后是第一级亮环，其能量是总能量的,7.22%,；,因为光环的能量主要集中在,爱里斑,上，所以可以把它看作理想系统的点像；,当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的爱里斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分。,这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。,2024/9/12,72,当相邻两点的间隔，正好使一个衍射图样中的,爱里斑中心,和另一个图样的,第一暗环,重合时，两个衍射图样的光强分布曲线相加而得到的合成光强分布曲线，两个极大值之间存在的一个极小值，能量约为极大值的,80%,。,1,r,暗,1,瑞利指出：,这种合成的衍射图样还是可以看出是由两个发光点构成的。,2024/9/12,73,1,r,暗,1,从图中可看出，两个爱里斑的中心距正好是爱里斑的半径。,瑞利就以爱里斑半径或衍射图样的,第一暗环半径,（,r,暗,1,）作为,光学系统能对无限远两点的像分辨得开的,最小距离,称之为,瑞利判据,；,按此判据，即可确定光学系统的分辨本领。,2024/9/12,74,显微系统,的分辨率是以刚能分辨的两物点之间的距离来表示的，称为,最小分辨距,。,孔径光阑（出瞳）,P,1,P,2,z,-U,max,1,U,max,A,-,由于显微物镜满足正弦条件，即有,式中，,n,像方介质的折射率，总是空气，,n=1,，而,是在物空间与,共轭的线量,2024/9/12,75,式中， 即为前面所提的显微物镜的,数值孔径（,NA,）,它就是显微物镜的,最小分辨距,即,分辨率,，故有,表明,:,显微镜的,分辨本领,取决于所用的,光波波长,和,物镜的数值孔径,。,上式的得出是假设物点本身发光，并且两个发光点是独立的（即非相干光源）。,这种情况与实际情况不相符,。,若考虑部分相干情况，被照明物点所产生的衍射图样，,在,满足瑞利判据,时，上式中的系数一般要,加以修正,。,2024/9/12,76,这种修正是以,道威,(Dawas),判断,为依据的。,道威判断,：,两个相邻像点之间的两衍射斑中心距为爱里斑半径时，则能被光学系统分辨,。,应,充分利用,物镜的分辨率，使以被显微镜物镜分辨出来的细节能同时被眼睛所看清，,显微镜必须有恰当的放大率,便于眼睛分辨的角距离为,2 4,。,2024/9/12,77,设所使用光线的波长为,550nm,，上式成为,取,2,为分辨角的,下限,，,4,为,上限,，则在,明视距离,250mm,处能分辨开两点之间的距离,为,是显微镜像空间被人眼所能分辨的线距离,换算到,显微镜的物方,，相当于显微镜的,分辨率,乘以,视觉放大率,，得到,满足上式的放大率,称为显微镜的,有效放大率,2024/9/12,78,五、显微镜的照明系统,(,一,),照明系统的设计原则,照明系统要,满足以下,要求,：,1,）保证有足够的光能；,2,）有足够的照明范围和均匀的亮度；,3,）照明光束应充满物镜的入瞳；,4,）尽可能减少杂光进入物镜，以免降低像面的对比度；,5,）满足仪器尺寸布局要求；,2024/9/12,79,2,、照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量，,即,根据上述要求，照明系统在设计上应满足以下两个,原则,：,1,、光瞳衔接原则,设照明系统的入瞳位置为光源的位置，则照明系统的出瞳应与物镜的入瞳重合,；,（二）亮视场的照明方式,1,、直接照明,利用自然光或灯泡照明,。,2024/9/12,80,其,缺点,是光源亮度的不均匀性将直接反映在物面上，同,时也不满足光瞳衔接原则，即聚光镜的出瞳位置和物镜,的入瞳位置不重合。,电影放映机大多采用这种照明方式。,读数显微镜中刻线尺或度盘的照明也常采用。,2,、临界照明,-,光源发光面通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式,2024/9/12,81,3,、柯勒照明,集光镜,视场光阑,孔径光阑,聚光镜,物面,这种照明方式克服了临界照明不均匀的缺点。,它的构成有以下两个特点：,（,1,）,发光面通过集光镜成实像。,该像面上可安放可调的孔径光阑，再经聚光镜成像于物镜的入瞳位置。因此充分利用了光能并满足光孔转接原则。,2024/9/12,82,柯勒照明系统分为远心照明和非远心照明。,远心柯勒照明特点：,孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路；视场光阑的位置根据需要选定。,（,2,）,集光镜框或其后面附近可安放可变的视场光阑，控制照明视场的大小，避免杂光射入物镜。,2024/9/12,83,六、显微镜的物镜,由于显微镜要求分辨率高，则数值孔径,NA,大，放大率要与之相适应，因而物镜的放大率也要相应匹配，并在规定机械筒长下使用（例如，,160mm,）。生物显微镜的标本放在载玻片上，上面盖上盖玻片，在设计时必须考虑盖玻片。物镜的参数标明在外壳上。,随着放大倍数由低到高，其结构也相应复杂。低倍物镜可以用双胶合，中倍物镜用双双胶合，高倍物镜用双胶合前片，数值孔径更大的阿贝物镜则需要浸油。,光学系统的主要参数是,焦距、孔径和视场,，在此与,有关。,2024/9/12,84,2024/9/12,85,七、显微镜的目镜,相当于放大镜，其入瞳就是物镜的出瞳，其出瞳在,Fe,稍后处，,与,F,重合,一般有二片,(,组,),：朝向物方的称,向场镜,，朝向眼睛的称,接目镜,。,由,，要有一定的放大倍率应取较小的焦距,由于物镜的放大作用，目镜的视场较大而相对孔径较小，是短焦距小孔径大视场系统。,2024/9/12,86,目镜还有两个重要参数：,1.,镜目距,接目镜最后一面到眼瞳（出瞳）的距离，一般要求,2.,工作距离,向场镜第一面到目镜前焦面（物镜像面）的距离。由于物镜的像面要安装分划板，工作距离应保证近视眼观察时不能因调焦而使目镜碰到分划板。,10,倍目镜,10,倍高眼点目镜,10,倍大视场目镜,20,倍目镜,显微镜和放大镜的比较, 具有更大的放大率，二次放大 人眼离物面较远，使用方便 物镜和目镜可调换，从而得到多种放大率 具有中间实像面，可放置分划板，用于测量（构成测微目镜） 当中间实像A位于 Fe之前时，A”为实像，可投影到屏上。也可用图像传感器接收实像，构成电子目镜,两个发光点的分辨率,不发光物体的分辨率,垂直照射：,倾斜照射：,要使已被显微镜分辨开的细节也能同时被人眼睛所分辨，必须使显微镜的最小分辨距离,的像,对人眼构成的视角不小于人眼的视角分辨率。,设,眼睛容易分辨的角距离为2,4,，则在明视距离上对应的线距离 为：,mm，,得：,满足上式的视觉放大率称为显微镜的,有效放大率,。,（7-30）,例,7-1,要求分辨相距的两点，用波长的可见光斜照明，试求此显微镜的数值孔径。若要求此两点放大后的视角为,2,，则显微镜的视放大率等于多少？,人眼放在明视距离处直接观察这两点时，张角,例,7-2,一显微镜的光学筒长为,150mm,，如果物镜的焦距为,20mm,目镜的视放大率为,求：,（,1,）总的视觉放大率；,（,2,）如果数值孔径为，问该视放大率是否在适用范围内？,牛顿公式：,例,7-3,显微镜,=-200,的目镜焦距为,25mm,，求显微物镜的垂轴放大率等于多大？如果出瞳直径,D,=1mm,，显微镜物镜的物像共轭距为,195mm,，求显微镜的数值孔径多大？物镜的通光口径多大？,由：,例,7-4,有一显微镜，物镜的放大率,=-40,，目镜的倍率为,e,=15,（均为薄透镜），物镜的共轭距为,195mm,，求物镜和目镜的焦距、物体的位置、光学筒长、物镜和目镜的间距、系统的等效焦距和总倍率。,解：,已知物镜的共轭距,L=195mm,和放大率,=-40,第四节 望远镜系统,开普勒望远镜的视觉放大率：,视觉放大率是光瞳垂轴放大率的倒数，视觉放大率仅取决于结构参数。要提高视觉放大率，必须增加物镜的焦距或减小目镜的焦距。目镜焦距不能小于6mm，故手持望远镜一般不超过10倍。,视觉放大率 是正值，像是正立的，反之，像是倒立的。,转像系统,倒像变正像,伽利略望远镜：,无需转像，但是无法安装分划板,一. 望远系统的分辨率及工作放大率,望远系统分辨率用,极限分辨角,表示：,按道威判据：,为保证被望远镜所分辨的细节也能被用望远镜观察的人眼所分辨，视觉放大率和分辨率的关系：,60,上式是在满足分辨率要求的最小视觉放大率，也称为,有效放大率,。然而眼睛在极限分辨率下工作,会,疲劳，在设计视觉放大率按上式计算出后再放大23倍，称为,工作放大率,，若23倍则 D,分辨角,：（对观察仪器的精度要求）,60/,望远镜中的辅助系统,场镜,场镜是一个正透镜组，将其放置在物镜的焦面上，可以在不改变系统放大率的前提下，改变轴外光束的走向，降低其在目镜上的高度，或让更多的光线通过系统，,场镜,物镜,目镜,例1：用望远镜观察时要鉴别5公里处200毫米的间距，应选用多大倍率的望远镜？,先求出直接观察时的视角,因为人眼的视角分辨率为1,。仪器必须将视角0,.,138,扩大1,以上，人眼才能分辨。所以仪器的视放大率至少应为,应选用8,X,以上的望远镜。,例,7-6,有一架开普勒望远镜，视觉放大率为,-6,，物方视场角,2=8,，出瞳直径,D,=5mm,物镜和目镜之间距离,L=140mm,，假定孔径光阑与物镜框重合，系统无渐晕，求：,第五节 目镜,目镜的作用类似于放大镜，主要参数包括：,焦距、视场角、相对镜目距、工作距离,。,视场角,：,镜目距,是目镜后表面的顶点到出瞳的距离，,相对,镜目距,是其与目镜焦距之比。目镜的孔径光阑和,物镜的孔径光阑重合，出瞳位于目镜后焦平面附,近。,一 基本概念,工作距离,l,F,目镜第一面的顶点到物方焦平面的距离，称为工作距离,l,F,。为适应人眼的不同情况，需要进行视度调节。工作距离要大于视度调节深度，视度调节范围一般在5D。,目镜相对视场光阑（分划板）的移动量x等于,x = 5,f,e,2,/ 1000,F,1,(F,2,),F,2,F,2,F,2,F,-x,2,x,2,F,2,-x,2,A,A,x,2,正常,远视眼,近视眼,二、惠更斯目镜,结构：,惠更斯目镜是由两个平凸薄透镜组成，通常称前面的透镜为场镜，后面的称为接目镜。,惠更斯目镜的视场角2, 40,0,50,0,相对镜目距约P,/,f,e1/3,特点：, 场镜、,接目镜,均为平凸透镜，且均以凸面朝向物体。, 由于场镜上入射光为会聚光，即场镜的物为虚物，所以这种目镜只能用来观察物镜所成的像，也无法对物镜所成的像进行测量。场镜和接目镜的像差是相互补偿的，不宜放分划板。,此目镜的视角大，结构紧凑，适用于生物显微镜。,三、冉斯登目镜,结构：,冉斯登目镜是由两个相对两个平凸薄透镜组成，场镜向接目镜移近，使物镜的像面移出目镜。,冉斯登目镜的视场角2 30,0,40,0,相对镜目距约P,/ f ,e,1/3,特点：, 场镜、接目镜也同为平凸透镜，但二镜凸面相向，平面朝外。,此目镜既可用于观察像，也可用于观察物，并可由配备的分划板对物镜所成的像进行测量，适用于测微目镜。,四、其他类型的目镜（结构与参数）,1、凯涅尔目镜,凯涅尔目镜，它是冉斯登目镜的改,进型。场镜为平凸透镜，而接目镜为由,正负透镜组成的胶合透镜，故轴上点的,色差和球差较小，畸变比,冉斯登目镜,小,，不能消除场曲。,凯涅尔,目镜的视场角2 30,0,40,0,相对镜目距约P,/ f e1/2,2、无畸变目镜,四片两组结构，其中场镜为三胶合透镜，接目镜为平凸透镜，该目镜成功的控制了色差和球差，并把像散和场曲降低到难以察觉的程度，它还具有40-50度的平坦视场和足够的出瞳距离，在各倍率都有良好表现，一直被广泛采用。,无畸变目镜的视场角2 48,0,相对镜目距约P,3、长出瞳目镜,用于军事目的仪器需要较长的出瞳距，可达2225mm。,长出瞳目镜的视场角2 50,0,截距,l,F,f, ,l,F,f,例2、显微系统放大率与物镜焦距成（ ）比，望远系统放大率与物镜焦距成（ ）比。,答案：反；正。,显微系统：,望远系统：,三、选择题,（多选）,1、显微镜的分辨率与（ ）有关。,(c) 目镜的数值孔径,(d) 物镜数值孔径,(a) 入射光波长,(b) 目镜的放大率,2、照相机中的光圈指数与（ ）有关。,(c) 物镜焦距和入瞳直径,(d) 入曈直径和数值孔径,(a)数值孔径,(b)物镜焦距和数值孔径,答案：a, d,答案：c,3、望远镜参数840表示( )。,(c) 放大倍率320倍,(d) 物镜直径40mm,(a)放大倍率8倍,(b)放大倍率40倍,答案：a,d,4、有关望远镜表述正确的有（ ） 。,(c) 放大倍率越大，视场越小,(d) 放大倍率越大，调节景深越小,(a)放大倍率=物镜焦距/目镜焦距,(b)放大倍率=入曈直径/出瞳直径,答案：a,b,c,d,5、下列表述正确的是（ ）。,(c) 伽利略望远镜可以用来测距,(d) 显微镜照明光波长越长，分辨率越高,(b) 放大镜的放大率与焦距成正比,(a) 望远镜放大率越大，景深越小,答案：a,例四、有一个7倍的望远镜，长度为160mm，求,（1）开普勒型望远镜；（2）伽利略型望远镜,时的物镜和目镜的焦距，并画图示意。,解：,（1）开普勒型,（2）伽利略型,4、人眼的视角分辨率为2 (1=0.0003弧度) ，现欲分辨明视距离处0.0005mm的物体，采用照明光波长为550nm，应用何种光学仪器？放大率最小应为多少？物镜的数值孔径最小应为多少？,解：,应该采用显微镜。,由显微镜视角放大率定义：,由于角度很小，用弧度值代替正切值，有：,由,5、一个开普勒望远镜系统只包括物镜和目镜，镜筒长度L=250mm，放大率=-24,x,，视场角2=140，求该望远镜系统的（1）物镜和目镜焦距（2）按照正常放大率求物镜的通光口径（3）出瞳直径（4）出瞳距,解：,（1）由开普勒型,（2）由正常放大率公式,求得：,（3）求出曈直径,（4）求出曈距,出瞳就是孔径光阑被目镜成的像，刻普勒望远系统的孔径光阑就是物镜框。由牛顿公式：,物镜框，孔径光阑,出瞳,视场光阑,目镜,其中,，x为出瞳到目镜焦点的距离,7.6 摄影系统,像平面（感光底片）在像方焦面附近，在小范围内调节镜头和底片的距离，可使不同距离以外的物体成清晰的实像于底片上。,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、空中侦察系统和测绘光学系统等。,一 摄影物镜的光学特性,摄影物镜的光学特性由焦距,f,、相对孔径,D,/,f,和视场角2,表示。,1. 视场角,摄影物镜的感光元件框是视场光阑和出射窗，它决定了像空间的成像范围。,摄影底片限制了摄影物镜的视场角。,常用摄影底片规格,名 称,尺寸（mmmm）,136底片,3624,120底片,10.47.5,16mm电影片,2216,35mm电影片,180180,航拍底片,230230,在拍摄远处物体时，像的大小为,在拍摄近处物体时，像的大小取决于垂轴放大率,对于远处物体，当焦距确定时，根据胶片规格，物方最大视场角为,底片的对角线长度。,摄影物镜视场的大小是由物镜的焦距和接收器的尺寸决定。,物镜的焦距越短，则其视场角越大；焦距越长，视场角越小。普通标准镜头的视场角为4060,0,。,2. 焦距,f,在摄影系统中，焦距决定了拍摄像的放大率。,用不同焦距物镜，对前方同一距离处的物体进行拍摄时，焦距长则像放大倍率大，焦距短则像放大倍率小。,根据焦距不同，普通照相机镜头可分为标准镜头、广角镜头、,超广角镜头、中焦镜头、摄远镜头和超摄远镜头。,变焦镜头较常见的变焦范围为35mm70mm。这种镜头可取代普通标准镜头，使用起来更为灵活。,对于同样的接收器尺寸，放大倍率小的物镜，拍摄范围就大；,放大倍率大的物镜，拍摄范围就小。,135mm,胶片相机,典型的数码相机,视场范围, 20mm,f,可认为xp,f,p ，,则,f, / x ,f,/p,当在明视距离观察照片时，,焦距越长，入瞳直径越大，,景深越小；拍摄距离越大，,景深越大。在使用照相机,拍摄时，选用光圈数越大，,景深越大。,（光圈、曝光量）,三. 摄影物镜的类型,普通摄影物镜,大孔径摄影物镜,广角物镜,远摄物镜,变焦距物镜,变焦距物镜的焦距可以在一定范围内连续变化，,所以对一定距离的物体其成像的放大率也在一定,范围内变化，但系统的像面位置保持不变。变焦,系统由多个子系统组成，通过一个或多个子系统,的轴向移动、改变光组间隔来实现的。,135mm,胶片相机,典型的数码相机,视场范围, 20mm, 4.3mm,超广角,2135mm,4.77.5m