应用光学课件

1、1典型光学系统典型光学系统目视光学系统目视光学系统眼睛的特性眼睛的特性放大镜放大镜 摄摄/ /投影系统投影系统摄影系统摄影系统显微镜系统显微镜系统望远镜系统望远镜系统投影系统投影系统光学系统主要有光学系统主要有望远系统望远系统、显微系统显微系统和和照相系统照相系统；讨论：讨论：1、光学系统的光学特性；、光学系统的光学特性； 2、横、横/轴向尺寸的计算方法。轴向尺寸的计算方法。2第十四章第十四章 目视光学系统目视光学系统14.1 眼睛的结构及其特性眼睛的结构及其特性1、眼睛的结构、眼睛的结构:2、眼睛的调节、眼睛的调节 水晶体到网膜的水晶体到网膜的距离是不变距离是不变的。观察不同距离的物体，水晶

2、体的。观察不同距离的物体，水晶体的的焦距焦距自动改变，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的自动调焦自动调焦的过程称为眼睛的调节。的过程称为眼睛的调节。 远点远点：眼睛自动调焦所可能看清最远的点；：眼睛自动调焦所可能看清最远的点；近点近点：眼睛自动调焦所可能看清最近的点；：眼睛自动调焦所可能看清最近的点；明视距离明视距离：正常眼最方便和最习惯的工作距离，它等于：正常眼最方便和最习惯的工作距离，它等于-250mm。 明视距离；明视距离；视角；视角；极限分辨角；极限分辨角；视角放大率。视角放大率。33、 眼睛的视角眼睛的视角视角视角: :

3、 物体在网膜上所成象的大小决定物体在网膜上所成象的大小决定于物体对人眼的于物体对人眼的张角张角。 同一位置，不同大小的物视角不同；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；同一物体，不同位置视角不同；4、眼睛的缺陷及校正、眼睛的缺陷及校正正常眼：远点在无限远，水晶体的像方焦点正常眼：远点在无限远，水晶体的像方焦点f在视网膜上。在视网膜上。近视眼：近视眼：f在视网膜前，戴负透镜校正。在视网膜前，戴负透镜校正。远视眼：远视眼：f在视网膜后，戴正透镜校正。在视网膜后，戴正透镜校正。视度视度：非正常眼远点距离的倒数，非正常眼远点距离的倒数，r1/r （单位：折光度（单位：折光度 ）视

4、网膜上两个视网膜上两个像大小的比值像大小的比值等于相应的等于相应的两个视角正切的比值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。眼镜片的像方焦点正好和非正常眼的远点重合。45、极限分辨角、极限分辨角分分 辨辨 率率: : 所能辨别靠近的两个点的极限值。所能辨别靠近的两个点的极限值。极限分辨角极限分辨角: : 刚能被眼睛分辨开的两个点对眼睛的刚能被眼睛分辨开的两个点对眼睛的物方节点物方节点所张的角所张的角度。度。 分辨率分辨率 和和 极限分辨角极限分辨角 成成 反比反比。 d22. 1mmdmmdmm014526626/00055. 022. 1 由衍射理论：由衍射理论：若取若

5、取 =0.00055mm，则眼睛的极限分辨角为，则眼睛的极限分辨角为： 6、视角放大率、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用仪器观察的视角仪仪 和人眼直接观察的视角和人眼直接观察的视角 眼眼 二者二者正切之比正切之比称为目视光学仪器的称为目视光学仪器的“视角放大率视角放大率”。眼仪tgtg 视角放大率实际表示了用仪器观察和用人眼直接观察时，视视角放大率实际表

6、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。网膜上像的大小之比，它描述了仪器放大作用的大小。5 14.2 放大镜放大镜fmm2500一、放大镜的放大率一、放大镜的放大率 视角放大率视角放大率 注：注：目视光学仪器目镜的工作原理和目视光学仪器目镜的工作原理和视角放大率视角放大率的计算与放大镜完的计算与放大镜完 全相同。全相同。6二、放大镜的光束限制和视场二、放大镜的光束限制和视场 zzzlahtglhtglahtg21tgfy22zlhy05002注：注：放大镜的视场与放大镜的视场与视角放大率视角放大率、放放大镜口径大镜口径、观察距离观察距离有关。有关。眼

7、瞳为孔阑，放大镜为渐晕光阑，渐晕系数为零处限定眼瞳为孔阑，放大镜为渐晕光阑，渐晕系数为零处限定最大视场最大视场。714.3 显微系统显微系统主要内容：主要内容：1、显微镜的成像原理及显微镜的成像原理及视角放大率视角放大率 ；2、孔径光阑与、孔径光阑与出瞳直径、景深出瞳直径、景深；3、分辨率分辨率与与有效放大率有效放大率；4、显微物镜与目镜显微物镜与目镜；5、显微镜的照明系统。、显微镜的照明系统。8一、一、显微镜的成像原理及显微镜的成像原理及视角放大率视角放大率 1111ffx22250fmm2121250ffmm21ffffmm2509习题习题1：用两个焦距都是：用两个焦距都是50mm的正透镜

8、组成一个的正透镜组成一个10倍的显微倍的显微镜，问物镜、目镜的倍率及物镜和目镜之间的间隔？镜，问物镜、目镜的倍率及物镜和目镜之间的间隔？10二、二、显微镜的光束限制显微镜的光束限制 1 1、孔径光阑：、孔径光阑：a. 单组低倍显微物镜，镜框是孔径光阑；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；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。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。用显微镜观察体时，眼瞳应与出射光瞳重合。 若孔阑

9、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。目镜像方焦面附近一固定位置。112、显微系统的显微系统的出射光瞳直径出射光瞳直径 显微镜应满足正弦条件，有显微镜应满足正弦条件，有 ：unyyunsinsinutgfa目ufasin目物物fyy1unfusinsin物nafunfa显显sinunnasin令令na na 称为显微镜的称为显微镜的数值孔径数值孔径，是表征显微镜特性的重要参量。，是表征显微

10、镜特性的重要参量。 nad500123、显微镜的视场光阑和视场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。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。线视场阑的大小决定。线视场y与视阑大小与视阑大小y的关系为：的关系为：物yy224、显微镜的显微镜的景深景深 显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。显微镜的

11、放大率越高，数值孔径越大，景深越小。 nanmmnaf ndx250213三、显微镜的三、显微镜的分辨率分辨率和和有效放大率有效放大率1、分辨率分辨率（用分辨距离（用分辨距离表示）表示）1）两个发光点的分辨率：）两个发光点的分辨率：naun61. 0sin222. 12）不发光物体的分辨率：）不发光物体的分辨率：nana5 . 0垂直照明：垂直照明：倾斜照明：倾斜照明：na na ， 时，时， ，分辨率，分辨率（浸液物镜，紫光光源）（浸液物镜，紫光光源）142、有效放大率有效放大率便于眼睛分辨的角距离为便于眼睛分辨的角距离为 42该角距离在眼睛的明视距离该角距离在眼睛的明视距离250mm250

12、mm处所能分辨的距离处所能分辨的距离，可表示为：，可表示为：换算到物空间，换算到物空间， ，取，取na5 . 0设所用照明的平均波长为设所用照明的平均波长为0.00055mm， 有有近似为：近似为： 显微镜的放大率显微镜的放大率取决于取决于物镜的分辨率或数值孔径物镜的分辨率或数值孔径。当使用比有效。当使用比有效放大率下限放大率下限(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细节。若用比有效放大率上限(1000na)更高的放大率，是无效放大，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。并不能使被观察物体

13、的细节更清晰。 15四、显微物镜四、显微物镜主要光学特性参数有：主要光学特性参数有：1、 放大率放大率 ：物1f 物2、数值孔径数值孔径nana：nana决定了物镜的分辨能力；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；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。物镜放大率越高，工作距离越短。 5. 物镜的通光口径：物镜的通光口径：unnasintguld 2显微物镜的基本类型：消色差物镜、复消色差物镜、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。平视场物镜、折反式物镜。16五、显微目镜五、显微目镜主要光学特

14、性参数有：主要光学特性参数有：1、视觉放大率视觉放大率：目f 25002、目镜的线视场（由视场光阑的大小决定）、目镜的线视场（由视场光阑的大小决定）3、镜目距镜目距（出瞳距离）：（出瞳距离）：mmlz64、目镜的、目镜的通光口径通光口径： 由由渐晕系数渐晕系数及几何关系决定。及几何关系决定。17 习题习题2 2：一个显微镜物镜的垂轴放大倍率为：一个显微镜物镜的垂轴放大倍率为-3-3倍，数值孔径为倍，数值孔径为0.20.2，共轭距共轭距l l为为180180毫米，物镜框为孔阑，目镜焦距为毫米，物镜框为孔阑，目镜焦距为3030毫米，求：毫米，求： 、显微镜的视觉放大率；、显微镜的视觉放大率； 、物

15、镜焦距；、物镜焦距； 、物镜的物象距；、物镜的物象距； 、出瞳直径；、出瞳直径； 、出瞳距离（镜目距）；、出瞳距离（镜目距）； 、斜入射光照明，波长为、斜入射光照明，波长为0.550.55微米，求其分辨率；微米，求其分辨率； 、物镜通光孔径；、物镜通光孔径； 、系统的总焦距、系统的总焦距 。18六、显微镜的照明系统六、显微镜的照明系统1、 透明物体透明物体：利用照明系统发出的光线直接照射到物体上，经过：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。有透射后，进入显微镜成像。有临界照明临界照明和和柯拉照明柯拉照明两种。两种。1）临界照明临界照明：a）特点：）特点： 光源经过

16、聚光镜所成之像与物平面重合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相当于物平面上置光源b）光路图：）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）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。镜的观察效果。d）要求：）要求： 聚光镜应有与显微物镜相同或稍大的聚光镜应有与显微物镜相同或稍大的nana； 聚光镜前放置的可变光阑为聚光镜的孔阑；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，改变孔阑大小，可改变进入物镜光束的孔径角， 使之使之与物镜的与物镜的nana相适应相适应； 聚光镜与物镜：瞳聚光镜

17、与物镜：瞳 瞳，视场瞳，视场 视场。视场。192）柯拉照明：）柯拉照明：a）特点：把）特点：把光源像成在物镜入瞳面上。光源像成在物镜入瞳面上。 b）光路图：）光路图：c）优点：可）优点：可消除消除临界照明物平面上临界照明物平面上光照度不均匀光照度不均匀的特点。的特点。d）要求：）要求： 光源光源通过前置镜通过前置镜l l成像成像在聚光镜在聚光镜前可变光阑前可变光阑j j2 2上，聚光镜再上，聚光镜再把此光源像把此光源像再次成再次成在在物镜的入瞳物镜的入瞳上；在紧靠上；在紧靠l l后面设另一后面设另一可变光阑可变光阑j j1 1，具有均匀的亮度，具有均匀的亮度，被聚光镜成像在物面上被聚光镜成像在

18、物面上。调节。调节j j2 2 ，可使之与不同，可使之与不同数数值孔径值孔径的物镜相匹配；调节的物镜相匹配；调节j j1 1 ，可改变物平面上的照明范围，使之能，可改变物平面上的照明范围，使之能与不同倍率物镜的与不同倍率物镜的视场视场相适应。相适应。 聚光镜与物镜：视场聚光镜与物镜：视场 瞳，瞳瞳，瞳 视场。视场。202、非透明物体的照明系统：、非透明物体的照明系统： 不透明物体利用侧面自然光或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。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。另外，利用物镜本身兼作聚光镜。

19、光源经半透半反镜和显微物镜照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明物体，物体的反射光再经物镜和半透半反镜成像。和半透半反镜成像。3、暗场照明：、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。微粒所散射或衍射的光线。2114.4 14.4 望远系统望远系统 主要内容：主要内容：1、工作原理及光学特性参数；、工作原理及光学特性参数；2、视觉放大率；、视觉放大率；3、分辨率及工作放大率；、

20、分辨率及工作放大率；4、光束限制、光束限制视场；视场；5、望远物镜和目镜；、望远物镜和目镜；6、透镜转象系统与场镜；、透镜转象系统与场镜；7、望远系统的外型尺寸计算。、望远系统的外型尺寸计算。22一、工作原理及光学特性参数一、工作原理及光学特性参数2、基本光学参数：、基本光学参数： f f1 1、f f2 2、d/ d/ ff、2 2、2 2、d d、dd、d d物物、 d d目目、 l lz z ；2121212ffffff1、两种基本型式：伽利略望远镜、开普勒望远镜。、两种基本型式：伽利略望远镜、开普勒望远镜。伽利略望远镜伽利略望远镜开普勒望远镜开普勒望远镜3、三放大率：、三放大率：23二

21、、视觉放大率二、视觉放大率21fftgtgtgtg眼仪 tgftgf212122fdfddd定义：在眼睛视网膜上得到的定义：在眼睛视网膜上得到的通过望远镜观察物体的象高通过望远镜观察物体的象高和和直接直接观察物体所得的象高观察物体所得的象高之之比比。 1、d 为望远镜的入射光瞳直径为望远镜的入射光瞳直径 ；d 为望远镜的出射光瞳直径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。、望远镜的视觉放大率决定于望远系统的结构。 21fftgtg24三、分辨率及工作放大率三、分辨率及工作放大率1 1、望远镜的、望远镜的分辨率分辨率：用：用极限分辨角极限分辨角表示表示 。mmd0

22、14 若设人眼的分辨率为若设人眼的分辨率为 60，则，则 06 3 . 201406mmdmmd d与与成反比，与分辨率成正比成反比，与分辨率成正比 3 3、工作放大率工作放大率：是正常放大率的：是正常放大率的1.52倍。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(1.52) 2) ，此时所求得的放大率即为工作放大率。，此时所求得的放大率即为工作放大率。 2、正常放大率正常放大率：满足分辨率要求的最小视觉放大率。：满足分辨率要求的最小视觉放大率。06 251、 伽利略望远镜伽利略望远镜四、望远镜系统的光束限制四、望远镜系统

23、的光束限制视场视场1）瞳孔为孔阑、出瞳，）瞳孔为孔阑、出瞳， 物镜框为渐晕光阑，物镜框为渐晕光阑，一般按大于一般按大于50%50%的渐晕设的渐晕设计物镜框计物镜框 ； 筒长筒长 l= f f1 1+ f+ f2 2，物镜直径物镜直径d 确定后，视觉放大率越大，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，一般取取 ，甚至更低些。，甚至更低些。 出瞳距（镜目距）出瞳距（镜目距）lz z2）视场角：）视场角：zlldtg286262、开普勒望远镜、开普勒望远镜1fytg2）视场角：）视场角：3）视角放大率一般

24、为）视角放大率一般为 ；4）目镜作为渐晕光阑，一般允许存在目镜作为渐晕光阑，一般允许存在50%50%以下的渐晕。以下的渐晕。 1）物镜框为孔阑、入瞳，）物镜框为孔阑、入瞳，实像面处的分划板为视阑；实像面处的分划板为视阑； 为分划板框直径为分划板框直径( (视场光视场光阑半径阑半径) )， 为物镜焦距；为物镜焦距；y1f 开普勒望远镜视场一般不超过开普勒望远镜视场一般不超过 。 1510827五、望远物镜和目镜五、望远物镜和目镜1 1）主要）主要光学参数光学参数：相对孔径：相对孔径 d/ d/ ff、ff、2 2 ； 这些特性参数决定了望远镜的分辨率，像的主观亮度，和系统的这些特性参数决定了望远

25、镜的分辨率，像的主观亮度，和系统的外形尺寸。外形尺寸。2 2）物镜的）物镜的焦距焦距 ：在目镜焦距在目镜焦距 选定后，由视觉放大率决定；选定后，由视觉放大率决定；3 3）望远物镜需校正的主要）望远物镜需校正的主要象差象差：有球差、色差和正弦差；：有球差、色差和正弦差；4 4）物镜后有）物镜后有 透镜转象透镜转象系统时，二者可分别校正象差；系统时，二者可分别校正象差； 棱镜转象棱镜转象系统时，必须用物镜和棱镜的象差互相补偿。系统时，必须用物镜和棱镜的象差互相补偿。 1f 2f 1、望远物镜、望远物镜282、望远目镜、望远目镜1）目镜的）目镜的视场角视场角： 一般目镜的视场角一般目镜的视场角 左右；左右； tgtg2）镜目距镜目距： l lz z 6mm 6mm3）目镜的）目镜的通光口径通光口径 tglddz2出瞳目4）目镜的）目镜的工作距工作距：物镜像面到目镜前表面的长度。：物镜像面到目镜前表面的长度。5）目镜的）目镜的焦距焦距：焦距越短