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,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,*,第十四章 典型光学系统,眼睛,放大镜,显微镜,望远镜,摄影系统,投影与放映系统,第十四章 典型光学系统,14,1,眼睛的结构及其特性,1.,眼睛的结构,眼睛像个能自动对焦、变焦、自动改变光圈的照相机,.,眼睛通过视网膜上的锥状血细胞和杆状细胞实现感光。对光感应最灵敏处称为黄斑,(10.8),，中央有中心凹,(0.30.2),，此处仅有锥状细胞。,节点与中心凹的连线称视轴。在视神经入口处两种感光细胞都没有，称盲斑。,141 眼睛的结构及其特性1.眼睛的结构,2.,眼睛的简化模型及视角,物体在网膜上所成象的大小决定于物体对人眼的张角，称之为视角。,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；,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。,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。,简化眼：,把标准眼简化为一个折射球面的模型,简化眼的主点在实际角膜顶点的后约,1.35mm,2.眼睛的简化模型及视角 物体在网膜上所成象的大小决,3.,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,(r),。,其倒数,(R),是远点会聚度的屈光度数。,近点：,眼睛自动调焦所可能看清最近的点,(p),。,其倒数,(P),是近点会聚度的屈光度数。,明视距离：,正常眼最方便和最习惯的工作距离，它等于,-250mm,。,整个眼睛犹如一个自动变焦和自动收缩光圈的照相机。,即为眼睛的调节范围。,3.眼睛的调节 水晶体到网膜的距离是不变的。观察不同,下表是正常眼在不同年龄时的调节能力,下表是正常眼在不同年龄时的调节能力,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，远点在有限远处，通常采用近视眼的远点距离所对应的视度表示近视的程度；可戴负透镜校正。,远视眼,：,F,在视网膜后，远点为一虚像点，位于视网膜之后；可戴正透镜校正。,眼镜片的像方焦点正好和近视（远视）眼的远点重合。,散光：,折射面曲率异常，两个互相垂直的方向有不同的焦距，矫正应配戴柱面透镜,斜视：,水晶体位置不正或折射面曲率异常，矫正应配戴光楔,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,作业：某年轻人的远点距离为,-0.5m,，眼睛的调节范围为,10D,（视度，折光度），问，他的近点距离是多少？他应配什么的合适眼睛，带上眼镜后，他的远点和近点距离各是多少？,眼镜片的像方焦点正好和近视（远视）眼的远点重合。,远点：,眼睛自动调焦所可能看清最远的点,(r),。,其倒数,(R),是远点会聚度的屈光度数。,近点：,眼睛自动调焦所可能看清最近的点,(p),。,其倒数,(P),是近点会聚度的屈光度数。,作业：某年轻人的远点距离为-0.5m，眼睛的调节范围为10D,7,正常眼,近视眼对无限远点成像,近视眼的远点为,-0.5m,，,-2D,（折光度）,某年轻人的远点距离为,-0.5m,，眼睛的调节范围为,10D,（视度，折光度），问，他的近点距离是多少？他应配什么的合适眼睛，带上眼镜后，他的远点和近点距离各是多少？,R=1/r=-1/0.5=-2 D,P=R-A=-2-10=-12 D,近点距离,p=1/P=-83mm,采用凹透镜进行校正，使凹透镜的像方焦点与近视眼的远点一致，所以,f=-500mm,校正后的近点：,1/(-83)-1/l=-1/500,1/l=-1/83+1/500,l=-99.5mm,采用,f=-500mm,的凹透镜校正后，远点在无穷远，近点在,-99.5mm,处。,正常眼 近视眼对无限远点成像近视眼的远点为-0.5m，-2D,8,正常眼,远视眼对无限远物点成像,远视眼的远点成像，,远点是正值,虚物点,采用凸透镜进行校正，使凸透镜的像方焦点与远视眼的远点一致，,正常眼 远视眼对无限远物点成像远视眼的远点成像，远点是正值采,9,5.,极限分辨角,所能辨别靠近的两个点的极限值称为,分辨率,。这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，称为,极限分辨角,。眼睛的,分辨率和极限分辨角成反比,。,若取,=0.000555mm,，则眼睛的极限分辨角为,：,根据物理光学理论，,入瞳,为,D,的,理想光学系统,的极限分辨角,D,约等于,2mm,，一般取眼睛的极限分辨角为,1,分。,当,对比度,一定时，,亮度越大则分辨率越高,；当对比度不同时，,对比度越大则分辨率越高,。,照明光的光谱成分：,单色光的分辨率,要比白光为高，并以,555,纳米的黄光为最高。,网膜上的成像位置：,成像于黄斑处时,分辨率最高。,入瞳,D,在明视距离能够分辨出来的最小宽度：,5.极限分辨角 所能辨别靠近的两个点的极限值称为分辨,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,视角放大率 目视光学仪器是帮助人眼扩大视觉功能,一、,放大镜的放大率,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。,物,AB,在,F,后很近处,人眼瞳孔在,F,或其附近,直接观察时物在,明视距离处,正常眼，物在物方焦面上，成像于无穷远，则,M,仅被,f,所决定。,一、放大镜的放大率 注：目视光学仪器目镜的工作原理和视角放大,二、,放大镜的光束限制和视场,注：,放大镜的视场与放大率、放大,镜口径、观察距离有关。当,lz=f,2y=2h,一般情况下，眼瞳为孔阑也是出瞳，放大镜是渐晕光阑。系统没有实像面，因此没有视场光阑。,渐晕系数,50%,的视场,二、放大镜的光束限制和视场 注：放大镜的视场与放大率、放大一,15.1,，有一焦距为,50mm,，口径为,50mm,的放大镜，眼睛到放大镜的距离为,125mm,，,1,、求放大镜的视觉放大率和视场？,2,、当眼睛瞳孔,2a,为,5mm,时，线渐晕系数分别为,0,50%,，,100%,的视场分别是多少？,线渐晕系数,100%,视场：,线渐晕系数,50%,视场：,线渐晕系数,0,视场：,15.1，有一焦距为50mm，口径为50mm的放大镜，眼睛到,14,14,3,显微系统,一、,显微镜的成像原理及视角放大率,显微镜由物镜和目镜组成。,物体,AB,在物镜前焦面稍前处,，经物镜成放大、倒立的实像,AB,，它位于,目镜前焦面或稍后处,，经目镜成放大的虚像，该像位于无穷远或明视距离处。,143 显微系统一、显微镜的成像原理及视角放大率 显,例：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？,例：用两个焦距都是50mm的正透镜组成一个10倍的显微镜，问,显微镜是复杂的放大镜,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,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。,物镜为无穷远共轭距,显微镜是复杂的放大镜 具有更大的放大率，二次放,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。,用显微镜观察物体时，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，,x,l,与光学筒长,相比为一小量，则,x,z,小，,出瞳可近似认为在显微系统像方焦面附近一固定位置。,二、显微镜的光束限制 1.孔径光阑：a.单组低倍显微物镜,2.,显微系统的出射光瞳直径,显微镜应满足正弦条件（不晕成像），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,出瞳直径,两种方法,2.显微系统的出射光瞳直径 显微镜应满足正弦条件（不晕成像,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。,显微镜是小视场大孔径成像，为获得大孔径并保证轴上点成像质量，显微镜线视场不超过物镜的,1/20,线视场要求：,3.显微镜的视场光阑和视场 在显微物镜的象平面上设,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）,-l,入瞳,D,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,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，显微镜能分辨而眼睛不能分辨，放大不足。,若用比有效放大率上限,(1000NA),更高的放大率，是无效放大，眼镜可以分辨更小，而不能被显微镜分辨。,对应的弧度,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,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。,5.,物镜的通光口径：,3.,线视场：,四、显微物镜,显微物镜 小视场大孔径光学系统,，也称,小像差系统,，主要考虑与孔径有关的象差：,球差，正弦差，位置色差,；,主要光学特性参数有：1.放大率 ：2.数值,显微物镜的基本类型：,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。,100.25,物镜,200.4,物镜,400.65,复消色差物镜,600.8,物镜,1001.3,浸水物镜,500.6,折反射,UV,物镜,显微物镜的基本类型：低倍物镜可以用双胶合，中倍物镜用,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,由于物镜的放大倍率作用，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,。,主要考虑轴外像差，特别是,倍率像差，彗差，象散和场曲、畸变,；,五、显微目镜主要光学特性参数有：1.视觉放大率：2.目镜,例：已知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,-l,1,l,1,-l,2,-f,目,出
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