应用光学课件

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,*,典型光学系统,目视光学系统,眼睛的特性,放大镜,摄,/,投影系统,摄影系统,显微镜系统,望远镜系统,投影系统,光学系统主要有,望远系统,、,显微系统,和,照相系统,；,讨论：,1,、光学系统的光学特性；,2,、横,/,轴向尺寸的计算方法。,第十四章 目视光学系统,14.1,眼睛的结构及其特性,1,、眼睛的结构,:,2,、眼睛的调节,水晶体到网膜的,距离是不变,的。观察不同距离的物体，水晶体的,焦距,自动改变，使象清晰地成在网膜上。眼睛对不同距离的物体的,自动调焦,的过程称为眼睛的调节。,远点,：眼睛自动调焦所可能看清最远的点；,近点,：眼睛自动调焦所可能看清最近的点；,明视距离,：正常眼最方便和最习惯的工作距离，它等于,-250mm,。,明视距离；,视角；,极限分辨角；,视角放大率。,3,、眼睛的视角,视角,:,物体在网膜上所成象的大小决定于物体对人眼的,张角,。,同一位置，不同大小的物视角不同；,同一物体，不同位置视角不同；,4,、眼睛的缺陷及校正,正常眼：远点在无限远，水晶体的像方焦点,F,在视网膜上。,近视眼：,F,在视网膜前，戴负透镜校正。,远视眼：,F,在视网膜后，戴正透镜校正。,视度,：,非正常眼远点距离的倒数，,R,1/r,（,单位：折光度）,视网膜上两个,像大小的比值,等于相应的,两个视角正切的比值,。,眼镜片的像方焦点正好和非正常眼的远点重合。,5,、极限分辨角,分 辨 率,:,所能辨别靠近的两个点的极限值。,极限分辨角,:,刚能被眼睛分辨开的两个点对眼睛的,物方节点,所张的角度。,分辨率 和 极限分辨角 成 反比,。,由,衍射理论：,若取,=0.00055mm,，,则眼睛的极限分辨角为,：,6,、视角放大率,目视光学仪器是帮助人眼扩大视觉功能的，它的作用大小用视角放大率来描述。,视网膜上像的大小和视角的正切成正比，因此，把同一目标用仪器观察的视角,仪,和人眼直接观察的视角,眼,二者,正切之比,称为目视光学仪器的“,视角放大率,”。,视角放大率实际表示了用仪器观察和用人眼直接观察时，视网膜上像的大小之比，它描述了仪器放大作用的大小。,14.2,放大镜,一、放大镜的放大率,视角放大率,注：,目视光学仪器目镜的工作原理和,视角放大率,的计算与放大镜完,全相同。,二、放大镜的光束限制和视场,注：,放大镜的视场与,视角放大率,、,放大镜口径,、,观察距离,有关。,眼瞳为孔阑，放大镜为渐晕光阑，渐晕系数为零处限定,最大视场,。,14.3,显微系统,主要内容：,1,、,显微镜的成像原理及,视角放大率,；,2,、孔径光阑与,出瞳直径、景深,；,3,、,分辨率,与,有效放大率,；,4,、,显微物镜与目镜,；,5,、显微镜的照明系统。,一、,显微镜的成像原理及,视角放大率,习题,1,：用两个焦距都是,50mm,的正透镜组成一个,10,倍的显微镜，问物镜、目镜的倍率及物镜和目镜之间的间隔？,二、,显微镜的光束限制,1,、孔径光阑：,a.,单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑；,b.,复杂物镜一般以最后一组透镜的镜框作为孔径光阑；,c.,对于测量显微镜，孔阑在,物镜的象方焦面上，构成物方远心光路。,用显微镜观察体时，眼瞳应与出射光瞳重合。,若孔阑设置在物镜像方焦面，则出瞳位于显微系统后焦面上。若孔阑位置不同，与光学筒长,相比为一小量，则出瞳可近似认为在目镜像方焦面附近一固定位置。,2,、,显微系统的,出射光瞳直径,显微镜应满足正弦条件，有,：,令,NA,称为显微镜的,数值孔径,，是表征显微镜特性的重要参量。,3,、,显微镜的视场光阑和视场,在显微物镜的象平面上设置了视场光阑来限制视场。由于显微物镜的视场很小，而且要求象面上有均匀的照度，故不设渐晕光阑。,显微镜的视场以线视场，即成像物体的最大尺寸表示，它由视阑的大小决定。线视场,y,与视阑大小,y,的关系为：,4,、,显微镜的,景深,显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。,三、显微镜的,分辨率,和,有效放大率,1,、,分辨率,（用分辨距离,表示）,1,）两个发光点的分辨率：,2,）不发光物体的分辨率：,垂直照明：,倾斜照明：,NA,，,时，,，,分辨率,（浸液物镜，紫光光源）,2,、,有效放大率,便于眼睛分辨的角距离为,该角距离在眼睛的明视距离,250mm,处所能分辨的距离,，,可表示为：,换算到物空间，取,设所用照明的平均波长为,0.00055mm,，,有,近似为：,显微镜的放大率,取决于,物镜的分辨率或数值孔径,。当使用比有效放大率下限,(500NA),更小的放大率时，不能看清物镜已分辨出的某些细节。若用比有效放大率上限,(1000NA),更高的放大率，是无效放大，并不能使被观察物体的细节更清晰。,四、显微物镜,主要光学特性参数有：,1,、,放大率,：,2,、,数值孔径,NA,：,NA,决定了物镜的分辨能力；,4,、,工作距离：从物镜的第一个面顶点到物面的距离；,物镜放大率越高，工作距离越短。,5.,物镜的通光口径：,显微物镜的基本类型：消色差物镜、复消色差物镜、,平视场物镜、折反式物镜。,五、显微目镜,主要光学特性参数有：,1,、,视觉放大率,：,2,、目镜的线视场（由视场光阑的大小决定）,3,、,镜目距,（出瞳距离）：,4,、目镜的,通光口径,：,由,渐晕系数,及几何关系决定。,习题,2,：一个显微镜物镜的垂轴放大倍率为,-3,倍，数值孔径为,0.2,，,共轭距,L,为,180,毫米，物镜框为孔阑，目镜焦距为,30,毫米，求：,、显微镜的视觉放大率；,、物镜焦距；,、物镜的物象距；,、出瞳直径；,、出瞳距离（镜目距）；,、斜入射光照明，波长为,0.55,微米，求其分辨率；,、物镜通光孔径；,、系统的总焦距,。,六、显微镜的照明系统,1,、,透明物体,：利用照明系统发出的光线直接照射到物体上，经过透射后，进入显微镜成像。有,临界照明,和,柯拉照明,两种。,1,）,临界照明,：,a,）,特点：,光源经过聚光镜所成之像与物平面重合,相当于物平面上置光源,b,）,光路图：,c,）,缺点：光源表面亮度不均匀或明显表现出灯丝的结构，影响显微镜的观察效果。,d,）,要求：,聚光镜应有与显微物镜相同或稍大的,NA,；,聚光镜前放置的可变光阑为聚光镜的孔阑；,改变孔阑大小，可改变进入物镜光束的孔径角，,使之,与物镜的,NA,相适应,；,聚光镜与物镜：瞳 瞳，视场 视场。,2,）柯拉照明：,a,）,特点：把,光源像成在物镜入瞳面上。,b,）,光路图：,c,）,优点：可,消除,临界照明物平面上,光照度不均匀,的特点。,d,）,要求：,光源,通过前置镜,L,成像,在聚光镜,前可变光阑,J,2,上，聚光镜再把此光源像,再次成,在,物镜的入瞳,上；在紧靠,L,后面设另一,可变光阑,J,1,，,具有均匀的亮度，,被聚光镜成像在物面上,。调节,J,2,，,可使之与不同,数值孔径,的物镜相匹配；调节,J,1,，可,改变物平面上的照明范围，使之能与不同倍率物镜的,视场,相适应。,聚光镜与物镜：视场 瞳，瞳 视场。,2,、非透明物体的照明系统：,不透明物体利用侧面自然光或侧面加小灯泡进行照明，靠物体的反射光或散射光进入物镜成像。另外，利用物镜本身兼作聚光镜。光源经半透半反镜和显微物镜照明物体，物体的反射光再经物镜和半透半反镜成像。,3,、暗场照明：,利用特殊的照明系统实现倾斜照射试样，主要的照明光线不能进入物镜视场，而能够进入物镜成像的只是试样表面的微粒所散射或衍射的光线。,14.4,望远系统,主要内容：,1,、工作原理及光学特性参数；,2,、视觉放大率；,3,、分辨率及工作放大率；,4,、光束限制,视场；,5,、望远物镜和目镜；,6,、透镜转象系统与场镜；,7,、望远系统的外型尺寸计算。,一、工作原理及光学特性参数,2,、基本光学参数：,f,1,、,f,2,、,、,D/,f,、,2,、,2,、,D,、,D,、,D,物,、,D,目,、,l,Z,；,1,、两种基本型式：伽利略望远镜、开普勒望远镜。,伽利略望远镜,开普勒望远镜,3,、三放大率：,二、视觉放大率,定义：在眼睛视网膜上得到的,通过望远镜观察物体的象高,和,直接观察物体所得的象高,之,比,。,1,、,D,为望远镜的入射光瞳直径,；,D,为望远镜的出射光瞳直径；,2,、望远镜的视觉放大率决定于望远系统的结构。,三、分辨率及工作放大率,1,、望远镜的,分辨率,：用,极限分辨角,表示,。,若设人眼的分辨率为,60,，则,D,与,成反比，与分辨率成正比,3,、,工作放大率,：是正常放大率的,1.52,倍。,为了减少眼睛的疲劳，在设计望远镜时取眼睛的分辨角为,(1.5,2),，此时所求得的放大率即为工作放大率。,2,、,正常放大率,：满足分辨率要求的最小视觉放大率。,1,、伽利略望远镜,四、望远镜系统的光束限制,视场,1,）瞳孔为孔阑、出瞳，,物镜框为渐晕光阑，,一般按大于,50%,的渐晕设计物镜框,；,筒长,L=,f,1,+f,2,，,物镜直径,D,确定后，视觉放大率越大，视场越小。为获得较大视场，望远镜的视觉放大率不宜过大，一般取 ，甚至更低些。,出瞳距（镜目距）,l,z,2,）视场角：,2,、开普勒望远镜,2,）视场角：,3,）视角放大率一般为 ；,4,）,目镜作为渐晕光阑，一般允许存在,50%,以下的渐晕。,1,）物镜框为孔阑、入瞳，实像面处的分划板为视阑；,为分划板框直径,(,视场光阑半径,),，为物镜焦距；,开普勒望远镜视场一般不超过 。,五、望远物镜和目镜,1,）主要,光学参数,：相对孔径,D/,f,、,f,、,2,；,这些特性参数决定了望远镜的分辨率，像的主观亮度，和系统的外形尺寸。,2,）物镜的,焦距,：,在目镜焦距 选定后，由视觉放大率决定；,3,）望远物镜需校正的主要,象差,：有球差、色差和正弦差；,4,）物镜后有,透镜转象,系统时，二者可分别校正象差；,棱镜转象,系统时，必须用物镜和棱镜的象差互相补偿。,1,、望远物镜,2,、望远目镜,1,）目镜的,视场角,：一般目镜的视场角 左右；,2,）,镜目距,：,l,Z,6mm,3,）目镜的,通光口径,4,）目镜的,工作距,：物镜像面到目镜前表面的长度。,5,）目镜的,焦距,：焦距越短，结构越紧凑，,在,1530mm,左右。,一个折光度对应的调焦量,：,通常，（近远视）视度的调节范围为,5,折光度，则目镜的调节深度为,5x,。,目镜的工作距至少应大于,5x,。,六、透镜转像系统和场镜,设置转象系统的望远镜可以得到正立的象，放大率扩大,倍,。,1,、透镜转像系统,1,）,位置,：透镜转象系统设在物镜象平面的后面。物镜的象通过它可以变为正象,。,2,）,视角放大率,选用的最多,，,实现倒像。,3,）转象系统的,共轭距,设转象系统的焦距为 、放大率为 时的共轭距：,当 时，,L,有,极小值,：,这种情况下，转象系统的结构最紧凑。,2,、场镜,1,）孔阑经场镜成一次像：,2,）出瞳为上述像在经目镜成的像：,已知 ，求 或已知 求,3,）场镜一般用单透镜，若不需校正畸变时，都采用,平凸透镜,。,八、望远系统的外形尺寸计算,已知筒长,L,、,、,，,求开普勒望远镜外形尺寸。,习题,3,：一开普勒望远镜，筒长,L=175mm,，,=-6,，,2,=,7,，,D,=,4mm,，,求外形尺寸。,