典型光学系统I

1、第十四章第十四章 目视光学系统目视光学系统 141 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 水晶体到网膜的距离是不变的。观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不同距离的物体的自动调焦的过程称为眼睛的调节。眼睛的调节。 远点：眼睛自动调焦所可能看清最远的点远点：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

2、最习惯的工作距离，它等于明视距离：正常眼最方便和最习惯的工作距离，它等于-250mm。 3. 眼睛的视角眼睛的视角 物体在网膜上所成象的大小决定于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。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。正常眼：正常眼：F在视网膜后，戴

3、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。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。眼镜片的像方焦点正好和非正常眼的远点重合。4. 极限分辨角极限分辨角 所能辨别靠近的两个点的极限值称为所能辨别靠近的两个点的极限值称为分辨率分辨率。这刚能被眼睛。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，称为极限分辨角极限分辨角。眼睛的眼睛的分辨率和极限

4、分辨角成反比分辨率和极限分辨角成反比。 D22. 1mmDmmDmm014526626/00055. 022. 1 由衍射理论：由衍射理论：若取若取 =0.00055mm，则眼睛的极限分辨角为，则眼睛的极限分辨角为： 5. 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标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 二者正二者正切之比称为

5、目视光学仪器的切之比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。视网膜上像的大小之比，它描述了仪器放大作用的大小。 143 放大镜放大镜fmm2500一、一、放大镜的放大率放大镜的放大率 注：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。全相同。二、二、放大镜的光束限制和视场放大镜的光束限制和视场 zzzlahtglhtglahtg21tgfy22zlhy0

6、5002注：注：放大镜的视场与放大率、放大放大镜的视场与放大率、放大 镜口径、观察距离有关。镜口径、观察距离有关。 144 显微系统显微系统一、一、显微镜的成像原理及视角放大率显微镜的成像原理及视角放大率 1111ffx22250fmm2121250ffmm21ffffmm250例：用两个焦距都是例：用两个焦距都是50mm的正透镜组成一个的正透镜组成一个10倍的显倍的显微镜，问物镜、目镜的倍率及物镜和目镜之间的间隔？微镜，问物镜、目镜的倍率及物镜和目镜之间的间隔？二、二、显微镜的光束限制显微镜的光束限制 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

7、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。2

8、. 显微系统的出射光瞳直径显微系统的出射光瞳直径 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 称为显微镜的数值孔径，是表征显微镜特性的重要参量称为显微镜的数值孔径，是表征显微镜特性的重要参量 NAD5003. 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

9、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. 显微镜的景深显微镜的景深 显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。显微镜的放大率越高，数值孔径越大，景深越小。 NAnmmNAf ndx2502三、显微镜的分辨率和有效放大率三、显微镜的分辨率和有效放大率1. 分辨率（用分辨距离分辨率（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

10、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）2. 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250mm250mm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： 显微镜的放大率取决于物镜的分辨率或数值孔径。当使用比有效显微镜的放大率取决于物镜的分辨

11、率或数值孔径。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的细节更清晰。 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。

12、 5. 物镜的通光口径：物镜的通光口径：UnNAsintgUlD 23. 线视场：线视场：显微物镜的基本类型：显微物镜的基本类型：五、显微目镜五、显微目镜主要光学特性参数有：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（出瞳距离）：镜目距（出瞳距离）：mmlZ64. 目镜的通光口径：目镜的通光口径： 由渐晕系数及几何关系决定由渐晕系数及几何关系决定例：一个显微镜物镜的垂轴放大倍率为例：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

13、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 六、显微镜的照明系统六、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。射后，进入显微镜成像。1）临界照明：）临界照明：a）特点

14、：）特点： 光源经过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）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。显微镜的观察效果。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，使之与改变孔阑大小，可改变进入物镜光束的孔径角，使之与物镜的物镜的NANA相适应相适应 瞳瞳 瞳，视

15、场瞳，视场 视场视场2）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：可消除临界照明物平面上光照度不均匀的特点。）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：）要求： 光源通过前置镜光源通过前置镜L L成像在聚光镜前可变光阑成像在聚光镜前可变光阑J J2 2上，聚光镜再上，聚光镜再把此光源像再次成在物镜的入瞳上；在紧靠把此光源像再次成在物镜的入瞳上；在紧靠L L后面设另一可变光阑后面设另一可变光阑J J1 1，具有均匀的亮度，被聚光镜成像在物面上。调节具有均匀的亮度，被聚光镜成像在物面上。调节J J2

16、 2 ，可使之与不同数，可使之与不同数值孔径的物镜相匹配；调节值孔径的物镜相匹配；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视场相适应。与不同倍率物镜的视场相适应。 视场视场 瞳，瞳瞳，瞳 视场视场2. 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。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

17、，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。 148 望远系统望远系统一、工作原理及光学特性参数一、工作原理及光学特性参数光学参数：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 2121212f

18、fffff二、视觉放大率二、视觉放大率21fftgtgtgtg眼仪 tgftgf212122fDfDDD三、分辨率及工作放大率三、分辨率及工作放大率望远镜的分辨率用极限分辨望远镜的分辨率用极限分辨角来表示角来表示 ：mmD014 若设人眼的分辨率为若设人眼的分辨率为 60 06 3 . 201406mmDmmD D与与成反比，与分辨率成正比成反比，与分辨率成正比以上求得的视觉放大率是满足分辨率要求的最小视觉放大率，称之为以上求得的视觉放大率是满足分辨率要求的最小视觉放大率，称之为正常放大率。正常放大率。 工作放大率：是正常放大率的工作放大率：是正常放大率的1.52倍倍1. 开普勒望远镜开普勒望远镜21ffDDtgtg1fytg1）2） 筒长：筒长： L= f f1 1+ f+ f2 23） 出瞳距（镜目距）出瞳距（镜目距）lz zLlz2111fllzz四、望远镜系统的光束限制四、望远镜系统的光束限制2. 伽利略望远镜伽利略望远镜五、望远物镜五、望远物镜主要光学参数：主要光学参数： 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，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。和系统的外形尺寸。六、望远目镜六、望远目镜1、目镜的视场角：、目镜的视场角： tgtg2、镜目距：、镜目距： l l