工程光学第7章眼睛、放大镜、显微镜、望远镜

1、2022-4-111v由于成像理论的逐步完善，构成了许多在由于成像理论的逐步完善，构成了许多在科学技术和国民经济中得到广泛应用的光科学技术和国民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、学系统，例如放大镜、显微镜、望远镜、摄影仪器和投影仪器等。本章主要介绍上摄影仪器和投影仪器等。本章主要介绍上述光学系统的成像特性和设计要求，组成述光学系统的成像特性和设计要求，组成上述光学系统的物镜和目镜的结构型式及上述光学系统的物镜和目镜的结构型式及其主要光学参数等。其主要光学参数等。第七章第七章 典型光学系统典型光学系统u眼睛眼睛u放大镜放大镜u显微镜显微镜u望远镜望远镜u目镜目镜u摄影系统

2、摄影系统u投影系统投影系统u变焦距光学系统变焦距光学系统第一节 眼睛及其光学系统一一. 眼睛的结构眼睛的结构成像光学系统成像光学系统2022-4-114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；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；厚度仅为生在角膜上；厚度仅为0.55mm,0.55mm,折射率折射率1.37711.3771；巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜* *脉络膜是眼球的第二层膜，吸收透过网膜的光线，使后室成为暗脉络膜是眼球的第二层膜，

3、吸收透过网膜的光线，使后室成为暗室；室；2022-4-115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，决定眼的虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；颜色；巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔* *瞳孔是虹膜中间的小孔，随着外界明亮程度的不同，虹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膜肌肉能使瞳孔的直径在直径在28mm28mm范围内变化范围内变化；它是人眼的孔径光阑孔径光阑。2022-4-116人眼的构造剖视图细胞，锥状细胞直径约细胞，锥状细胞直径约5 5微米，长约微米，长约3535微米；杆状细胞直径约微米；杆状细胞直径约2

4、2微米微米，长约，长约6060微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在微米。它们在网膜上的分布式不均匀的。在黄斑中心凹黄斑中心凹处处*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；由中心向外，逐渐相对变化；巩膜巩膜角膜角膜脉络膜脉络膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜黄斑中心凹黄斑中心凹2022-4-117人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 光光脉络膜脉络膜 盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光刺激。盲斑是网膜上没有感光元素的地方，不能引起光

5、刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。黄斑中心凹是人眼视觉最灵敏的地方。视神经细胞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，晶状体在虹膜后面，是由两个不同曲率的面组成的透明体， 黄斑中心凹黄斑中心凹神经纤维神经纤维盲斑盲斑大脑大脑盲斑盲斑晶状体晶状体2022-4-118人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高脉络膜脉络膜 成像质量。晶状体的平均折射率为成像质量。晶状体的平均折射率为1.401.40，其周围肌肉，其周围肌肉虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜似双凸透镜，是眼睛

6、光学系统的成像元件，其密度和折射似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射 能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体时，黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体2022-4-119人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜角膜和晶状体之间的空间称为前室；充满1.336的水状液；脉络膜脉络膜 晶状体和网膜所包围的空间称为后室;充满1.336的玻状体虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜总能将像成在网膜上。 黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室2022-4-1110人眼的构造剖视图巩膜巩膜角膜角膜 脉络膜脉络膜眼睛的像方节点与中心

7、凹的连线为眼睛的视轴, 在观察物虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜 体时眼睛本能地把物体瞄准在这根轴上。 黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室1.3761.3361.336光轴光轴视轴视轴2022-4-1111 眼睛的视场很大，可达眼睛的视场很大，可达150150，但只有，但只有黄斑附近黄斑附近才能清晰识别，其他部分比较模糊，才能清晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看所以能看清物体的角度范围为清物体的角度范围为6 86 8。 从光学角度看，眼睛中最主要的是：从光学角度看，眼睛中最主要的是：水晶体、视水晶体、视网膜和瞳孔。网膜和瞳孔。 人眼人眼 水晶体水晶体 视网膜视网膜 瞳孔瞳孔

8、眼睛和照相机很相似，如果对应起来看：眼睛和照相机很相似，如果对应起来看： 照相机照相机 镜头镜头 底片底片 光阑光阑2022-4-1112人眼相当于一架照相机，它可人眼相当于一架照相机，它可以自动对目标调焦以自动对目标调焦照相机中，正立的人在底片上成倒像，照相机中，正立的人在底片上成倒像，人眼也是成倒像人眼也是成倒像但我们感觉为什么还是正立的？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。这是视神经系统内部作用的结果。2022-4-1113标准眼标准眼：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

9、射率、各光学表面的括角膜、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为标准眼 简约眼简约眼：把标准眼简化为一个折射球面的模型，称为简约眼。：把标准眼简化为一个折射球面的模型，称为简约眼。 简约眼参数简约眼参数： 介质折射率：介质折射率：n=1.3333 折射面半径：折射面半径：r1=5.77mm 物方焦距：物方焦距：f -17mm 像方焦距：像方焦距：f 23mm 光焦度：光焦度：D=58.48(1/m) 网膜半径：网膜半径：r2=9.7mm空气和角膜之间的界面有较大的折射率差，物

10、体空气和角膜之间的界面有较大的折射率差，物体主要通过这个界面成像在视网膜上；主要通过这个界面成像在视网膜上；水晶体的曲率半径可调（水晶体的曲率半径可调（40mm-70mm），改变），改变焦距，使不同距离的物体均能在视网膜成像；水焦距，使不同距离的物体均能在视网膜成像；水晶体的折射率逐渐增加的；晶体的折射率逐渐增加的；瞳孔直径可自动变化（瞳孔直径可自动变化（2-8mm），调节进入人眼），调节进入人眼的光能（孔径光阑）；的光能（孔径光阑）；主平面主平面 和和 距角膜顶点后约距角膜顶点后约1.3和和1.6mm；焦距约为：焦距约为：视场可达视场可达1500，能同时清晰观察物体的范围只在，能同时清晰观察

11、物体的范围只在视轴周围视轴周围60-80。HHmmfmmf23,17二二. 眼睛的调节与校正眼睛的调节与校正眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦的眼睛成像系统对任意距离的物体自动调焦的过程过程眼睛的调节眼睛的调节。通过环形肌肉的调节，是水晶体曲率变化来实现通过环形肌肉的调节，是水晶体曲率变化来实现的，的，曲率半径变小，曲率增大，焦距变小曲率半径变小，曲率增大，焦距变小。眼睛的调节能力是以远点距离和近点距离的倒数眼睛的调节能力是以远点距离和近点距离的倒数之差来度量的，单位为屈光度（之差来度量的，单位为屈光度（D），1D=1m-1：近点发散度：远点发散度，：近点距离：远点距离，PRllPRllAp

12、rpr112022-4-1116A称为称为眼睛的调节范围或调节能力。眼睛的调节范围或调节能力。 10.1Dl 当人眼观察在调解范围内的某一距离当人眼观察在调解范围内的某一距离l l处处的物体时，它总能清晰地成像在视网膜上。的物体时，它总能清晰地成像在视网膜上。 如果如果 l 的单位为米，则其的单位为米，则其倒数倒数称为称为视度视度，单位为，单位为屈光度屈光度如观察眼前如观察眼前10米的物体，对应的视度为米的物体，对应的视度为 屈光度。屈光度。 1Dl近点距倒数近点距倒数 称为称为近点视度近点视度。 Pp1在医院和眼镜店通常把在医院和眼镜店通常把1屈光度屈光度称为称为100度度。 人眼的调节能力

13、随年龄的增加而变化。人眼的调节能力随年龄的增加而变化。随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往随着年龄的增大，近点位置往远移，远点位置往近移，因而调节范围减少。近移，因而调节范围减少。 远点距倒数远点距倒数 称为称为远点视度远点视度， Rr12022-4-1118表是正常眼在不同年龄时的调节能力：表是正常眼在不同年龄时的调节能力：表表7-1：随着年龄的增大，调节范围变小。随着年龄的增大，调节范围变小。60岁时，远点在岁时，远点在200cm，即只有入射汇聚光束，即只有入射汇聚光束，汇聚点在眼睛后汇聚点在眼睛后200cm时才能在视网膜形成清晰时才能在视网膜形成清晰的像。的像。明视距离明视距离：2

14、50mm。远点在无限远远点在无限远-正常眼正常眼；远点在眼前有限远远点在眼前有限远-近视眼近视眼；（负透镜校正）；（负透镜校正）远点在眼后有限远远点在眼后有限远-远视眼远视眼；（正透镜校正）；（正透镜校正）50岁以后的远视眼岁以后的远视眼-老花眼老花眼。 这里这里必须指出必须指出，近点距离，近点距离并不是并不是明视距离明视距离 后者是指正常的眼睛在正常照明（约后者是指正常的眼睛在正常照明（约50勒克斯）下勒克斯）下最方便和最习惯的工作距离最方便和最习惯的工作距离，它等于，它等于250mm。 远点在眼前0.2m，应配多少度的近视眼镜？光焦度)(0.5)(0.5111Dmlf将远点恢复到无穷远：即

15、应配-500度的近视眼镜。视度：非正常眼的程度，用远点距离的倒数表示。单位为屈光度(D)。1D为100度。近点在眼前1.25m处，应配多少度的眼镜？光焦度)(2 . 3)(2 . 325. 0125. 111111Dmllf将近点校正到250mm处：即应配 320 度的眼镜。当水晶体两表面不对称时，细光束的两个主截面当水晶体两表面不对称时，细光束的两个主截面光线不交于一点光线不交于一点-散光散光。用两正交的黑白线条图案可以检验散光，由于存在用两正交的黑白线条图案可以检验散光，由于存在像散，不同方向的线条不能同时看清。像散，不同方向的线条不能同时看清。三三. 眼睛眼睛辐射接收器辐射接收器杆状细胞

16、杆状细胞对光刺激敏感，但不感色；对光刺激敏感，但不感色；锥状细胞锥状细胞对颜色敏感，但感光能力差。对颜色敏感，但感光能力差。明视觉明视觉时，锥状细胞器作用；时，锥状细胞器作用；暗视觉暗视觉时，主要杆状时，主要杆状细胞起作用。细胞起作用。对光亮的对光亮的自适应自适应。 适应有暗适应和亮适应两种，前者发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，极生在自亮处到暗处时，过程较慢，极限为限为6060分钟；后者发生在自暗处到亮分钟；后者发生在自暗处到亮处时，过程较快，只需要几分钟。处时，过程较快，只需要几分钟。 四四. 眼睛的分辨率眼睛的分辨率视网膜上最小鉴别距离等于两神经细胞直径，不

17、视网膜上最小鉴别距离等于两神经细胞直径，不小于小于0.006mm。物体对人眼的张角称为物体对人眼的张角称为视角视角，人眼能分辨的物点，人眼能分辨的物点间的最小视角称为间的最小视角称为视角鉴别率视角鉴别率：520626006. 0tan f眼睛的分辨能力或眼睛的分辨能力或视觉敏锐度视觉敏锐度是极限鉴别率的是极限鉴别率的倒数倒数：1视觉敏锐度2022-4-1125v可以看出，极限分辨角不仅与入射光线的波长有可以看出，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关，而且还与眼睛的瞳孔直径有关。DD.140206265000550221 = 50 120”； 在在良好的照明条件良好的

18、照明条件下，一般认为下，一般认为 = 60” = 1 认为认为人眼的极限分辨角为人眼的极限分辨角为1。 在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。在设计光学系统时就必须考虑眼睛的分辨率。一般视觉鉴别率取一般视觉鉴别率取 时，视觉敏锐度为时，视觉敏锐度为1。当瞳孔直径增大时，眼睛光学系统像差增大，当瞳孔直径增大时，眼睛光学系统像差增大，分辨能力随之减小。分辨能力随之减小。对于目视光学仪器，光学系统的放大率和被观察对于目视光学仪器，光学系统的放大率和被观察物体所需要的分辨率的乘积应等于眼睛的分辨率。物体所需要的分辨率的乘积应等于眼睛的分辨率。1五五. 眼睛的对准精度眼睛的对准精度两实线重合两实线重合

19、 双线对准单线双线对准单线 端点重合端点重合 叉线对准单线叉线对准单线2022-4-1127v经常需要将一条直线重合到另一经常需要将一条直线重合到另一条直线，但是，条直线，但是，要使两条直线完要使两条直线完全重合是不可能的全重合是不可能的 眼睛虽具有发现一个平面上两眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，但根平行直线的不重合能力，但也有一定的限度也有一定的限度 这个不重合限度的极限值这个不重合限度的极限值称为称为人眼的瞄准精度人眼的瞄准精度。 人眼的瞄准精度一般用人眼的瞄准精度一般用角度值角度值来表示来表示 2022-4-1128v即即两线宽的两线宽的几何中心线几何中心线对人对人眼的

20、眼的张角张角小于某一角度值小于某一角度值时，虽然还时，虽然还存在存在着不重合，着不重合，但眼睛已经认为是完全重合但眼睛已经认为是完全重合的，这时的，这时角度值即为角度值即为人眼人眼瞄准精度瞄准精度。 人眼对于人眼对于线条的变形线条的变形或或两条线错开两条线错开造成的外形变化或造成的外形变化或比较两条线宽的比较两条线宽的变化变化具有很高的灵敏度。具有很高的灵敏度。 人眼通过两物的比较发现它们外形人眼通过两物的比较发现它们外形变化的能力比变化的能力比分辨分辨它们要强得多。它们要强得多。 2022-4-1129v形成对眼睛瞄准有利的条件。形成对眼睛瞄准有利的条件。 瞄准精度瞄准精度和和分辨率分辨率是

21、两个概念。是两个概念。 又有一定的联系，经验证明，又有一定的联系，经验证明，人眼的最高瞄准人眼的最高瞄准精度约为分辨率的精度约为分辨率的1/61/6至至1/101/10。 1 1、两实线瞄准、两实线瞄准 60 60 2 2、两实线端部瞄准、两实线端部瞄准1020 1020 4 4、双线平分或对称瞄准、双线平分或对称瞄准510 510 3 3、叉线瞄准精度、叉线瞄准精度510 510 六、眼睛的景深六、眼睛的景深设设Dp为人眼的直径，为人眼的直径，为节点处的人眼分辨角为节点处的人眼分辨角 由图可知：由图可知：ab = - p abA2A2cd pDpDpppppDppp222 ; cd由由A1a

22、bA1cd远景深远景深 近景深近景深 若眼睛调节在无限远，若眼睛调节在无限远，P，远、近景深距离为，远、近景深距离为P1+DP/P2DP/ pDpDppppDppp1p ; 11 pDpppp211 pDpppp222 双目观察物体时，双目观察物体时，视差角；视差角；视觉基线视觉基线两眼节点连线；两眼节点连线；物体远近不同，眼球转动物体远近不同，眼球转动角度不同，肌肉的紧张不角度不同，肌肉的紧张不同，从而感知物体远近。同，从而感知物体远近。LbA/两不同距离的物点对应不同两不同距离的物点对应不同的视差角，其差异的视差角，其差异立体视差立体视差。立体视差大，人眼感觉两物体立体视差大，人眼感觉两物

23、体的纵向深度大。的纵向深度大。能感觉到的最小立体视差能感觉到的最小立体视差体视锐度体视锐度。无限远物点对应的视差角为零，当物点对应的无限远物点对应的视差角为零，当物点对应的视差角等于体视锐度时，人眼刚好可分辨它和视差角等于体视锐度时，人眼刚好可分辨它和无限远物点的距离差别，这个距离为人眼能分无限远物点的距离差别，这个距离为人眼能分辨远近的最大距离辨远近的最大距离立体视觉半径立体视觉半径：mbL1200/minmax双眼能分辨两点间的最短深度距离双眼能分辨两点间的最短深度距离立体视觉阈立体视觉阈：24min210800005. 001,62/LLmmbbLL 物体越远，物体越远，立体视觉误差越大

24、立体视觉误差越大 不能产生体视感觉的几种情况：如右图，C、D两点的像在右眼重合；两物体横向距离太远；物体位于两眼的垂直平分线上；两物体之一为直线，且与两眼中心 连线平行。第二节第二节 放大镜放大镜一一. 视觉放大率视觉放大率目视光学系统的放大率用视觉放大率表示，即用目视光学系统的放大率用视觉放大率表示，即用仪器观察物体时视网膜上的像高和人眼直接观察仪器观察物体时视网膜上的像高和人眼直接观察物体时像高之比：物体时像高之比：tantantantantan/250,ieylyly DDmm 明视距离fDlplf视觉放大率与观察条件有关。视觉放大率与观察条件有关。yflfyfxylpytan（1）当眼

25、睛调焦在无限远）当眼睛调焦在无限远处，物体放在放大镜处，物体放在放大镜前焦点上，则：前焦点上，则：ffD/2500通常该放大率标准在镜筒上，由此可知透镜焦距。通常该放大率标准在镜筒上，由此可知透镜焦距。（2）将物）将物像像调焦在明视距离：调焦在明视距离：fpffDp12501当眼睛紧贴放大镜，则：当眼睛紧贴放大镜，则：1250fDlp fDlplf 光束限制和光束限制和 线视场线视场放大镜和眼睛组成目视光学系统，眼睛是孔径光放大镜和眼睛组成目视光学系统，眼睛是孔径光阑，又是出瞳；放大镜框是视场光阑，又是出入阑，又是出瞳；放大镜框是视场光阑，又是出入射窗，同时放大镜窗又是渐晕光阑。射窗，同时放大

26、镜窗又是渐晕光阑。渐晕系数分别为渐晕系数分别为100%、50%、0时的像方视场角：时的像方视场角：pahphpah/ )(tan/tan/ )(tan2150%渐晕的线视场为：渐晕的线视场为：022tan50022yfhyf tgP放大倍率越大，线视场越小。放大倍率越大，线视场越小。第三节第三节 显微镜系统显微镜系统tanyL显微镜视角放大率显微镜视角放大率12tantanLff 2212tanyyyfff f 像对人眼睛的张角像对人眼睛的张角显微镜系统显微镜系统 12ff 、111fyyff 物镜的垂轴放大率：物镜的垂轴放大率：眼睛眼睛物镜物镜目镜目镜一一. 显微镜视觉放大率显微镜视觉放大率

27、目镜焦距。：物镜焦距；eeeffff00250tantan视觉放大率等于物镜的垂轴放大率和目镜的视觉放视觉放大率等于物镜的垂轴放大率和目镜的视觉放大率之积。大率之积。可以把目镜和物镜看作组合系统，其组合焦距为：可以把目镜和物镜看作组合系统，其组合焦距为：ffffe/250/0所以：显微镜可以看作显微镜可以看作组合的放大镜。组合的放大镜。目镜和物镜之间距离标准化，放大倍率也标准化目镜和物镜之间距离标准化，放大倍率也标准化，便于替换。，便于替换。出窗出窗-y”F1F2-yy物镜物镜目镜目镜孔径光阑、入瞳孔径光阑、入瞳视场光阑视场光阑出瞳入窗入窗Dfe二二. 显微镜的线视场显微镜的线视场 显微镜的线

28、视场取决目镜焦平面上的视场光阑的大显微镜的线视场取决目镜焦平面上的视场光阑的大小，设视场光阑的直径为小，设视场光阑的直径为D，则显微镜的线视场为，则显微镜的线视场为 2y=D/ 要使视场中得到优质得像，需要视场光阑的大小要使视场中得到优质得像，需要视场光阑的大小应与目镜的视场角一致，即应与目镜的视场角一致，即 D=2f 2 tg 用目镜的视觉放大率表示为用目镜的视觉放大率表示为 5005005002tgDtgtgy目目 250 目目目目 25022ff线视场与视觉放大率的关系：在选定目镜后，显微镜的线视场与视觉放大率的关系：在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，线视场越小。视觉放大率越大，线视

29、场越小。三三. 显微镜的出瞳直径显微镜的出瞳直径设显微镜的出瞳直径为设显微镜的出瞳直径为 ，对于显微镜物镜有：，对于显微镜物镜有： D0sinsin/sin/sintan/2sin/500enuynuynufuuDfnuD NA称为显微物镜的称为显微物镜的数值孔径数值孔径，它与物镜倍率一起，它与物镜倍率一起刻在物镜镜筒上，是重要光学参数。刻在物镜镜筒上，是重要光学参数。显微镜的出瞳直径很小。显微镜的出瞳直径很小。 500/sinDNANAnu四四. 显微镜的分辨率和有效放大率显微镜的分辨率和有效放大率NANA/5 . 0/61. 0道威判断：瑞利判断：像点是一个像点是一个艾里斑。艾里斑。瑞利判

30、断瑞利判断：两个相邻像点的间隔等于艾里斑的：两个相邻像点的间隔等于艾里斑的半径（半径（a）时，则能被光学系统分辨；）时，则能被光学系统分辨；道威判断道威判断：相邻像点的两艾里斑中心距为：相邻像点的两艾里斑中心距为0.85a时，则能被光学系统分辨。时，则能被光学系统分辨。显微镜的分辨率以能分辨的显微镜的分辨率以能分辨的物方两点间最短距离物方两点间最短距离来表示：来表示：NANANA1046523mm000555. 000029. 02502/5 . 000029. 02502设显微镜的分辨率主要取决于显微物镜的数值孔径显微镜的分辨率主要取决于显微物镜的数值孔径与目镜无关与目镜无关，目镜仅能把物镜

31、分辨的像放大。，目镜仅能把物镜分辨的像放大。物镜能分辨，还要保证眼睛能分辨，所以：物镜能分辨，还要保证眼睛能分辨，所以：通常近似取：通常近似取：NANA1000500满足上式的视觉放大率称为显微镜的满足上式的视觉放大率称为显微镜的有效放大率有效放大率，放大率太低，物镜的分辨能力没有充分利用；放大率太低，物镜的分辨能力没有充分利用；放大率太高，无效放大。放大率太高，无效放大。例：例：一显微镜物镜标有一显微镜物镜标有170mm、0.17；40/0.65，表明：表明：（1）显微物镜的放大率为）显微物镜的放大率为（2）数值孔径为）数值孔径为0.65；（3）适合机械筒长）适合机械筒长170mm；（4）物

32、镜对厚度）物镜对厚度d=0.17mm的玻璃盖板校正像差；的玻璃盖板校正像差；40显微镜的有效放大率在显微镜的有效放大率在325-650之间，之间，如果选用如果选用25倍放大的目镜，将导致倍放大的目镜，将导致无效放大无效放大。五五. 显微镜的景深显微镜的景深点像在视网膜上形成的弥散斑应小于感光细胞点像在视网膜上形成的弥散斑应小于感光细胞直径的直径的2倍。倍。人眼通过显微镜调焦在对准平面。人眼通过显微镜调焦在对准平面。p1,p2通过显微镜成像在通过显微镜成像在21,ppDf n/221上式同样适用于目镜和放大镜，当系统焦距用上式同样适用于目镜和放大镜，当系统焦距用视觉放大率表示，则：视觉放大率表示

33、，则：NAnDn22502502221显微镜的数值孔径越大，要求的放大率越高，显微镜的数值孔径越大，要求的放大率越高，景深越小。景深越小。景深的大小决定了用显微镜纵向调焦时的调焦景深的大小决定了用显微镜纵向调焦时的调焦误差。误差。六六. 显微镜的照明方法显微镜的照明方法 柯勒照明法是目前用于显微镜观察柯勒照明法是目前用于显微镜观察和显微摄影中最为理想的照明方法。和显微摄影中最为理想的照明方法。 柯勒照明的基本原理是：光源的灯柯勒照明的基本原理是：光源的灯丝经丝经柯勒镜柯勒镜后，第一次落在后，第一次落在成像物镜成像物镜孔孔径光阑的平面处（灯丝像），而后，径光阑的平面处（灯丝像），而后，成成像物镜

34、像物镜又将光源的灯丝像传入物镜，在又将光源的灯丝像传入物镜，在物镜的后焦面平面处形成第二次灯丝像物镜的后焦面平面处形成第二次灯丝像，因此，在被检物体的平面处没有灯丝，因此，在被检物体的平面处没有灯丝像的形成，故在视野内看不到灯丝像。像的形成，故在视野内看不到灯丝像。 该照明法的主要优点表现在该照明法的主要优点表现在：第一是照明均匀，因为在标本平：第一是照明均匀，因为在标本平面上成像的是视场光阑而不是灯丝面上成像的是视场光阑而不是灯丝；第二是通过调节；第二是通过调节光阑光阑1视场光阑视场光阑的大小和位置可以控制标本平面上的大小和位置可以控制标本平面上照明区的大小和位置，当只需要观照明区的大小和位

35、置，当只需要观察标本的一部分时，通过缩小视场察标本的一部分时，通过缩小视场光阑，就可以减少照明区域，使标光阑，就可以减少照明区域，使标本的其他部分不受热。调节本的其他部分不受热。调节光阑光阑2可控制显微物镜孔径角，满足物镜可控制显微物镜孔径角，满足物镜的数值孔径的要求的数值孔径的要求七七. 显微镜的物镜显微镜的物镜消色差物镜消色差物镜复消色物镜复消色物镜平像场消色差物镜平像场消色差物镜平像场复消色差物镜平像场复消色差物镜低倍物镜低倍物镜中倍物镜中倍物镜高倍物镜高倍物镜浸液物镜浸液物镜复消色差物镜复消色差物镜显微镜和放大镜的比较第四节第四节 望远镜系统望远镜系统开普勒望远镜的视觉放大率：开普勒望

36、远镜的视觉放大率：DDffe/tantan0a ffoebL ffffLoeeocdDD 、，视觉放大、筒长，当一定、当一定，、 要与眼瞳匹配，镜筒增大视觉放大率是光瞳垂轴放大率的倒数，视觉放大率仅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故手持望远镜一般不超过10倍。倍。视觉放大率视觉放大率 是正值，像是正立的，反之，是正值，像是正立的，反之，像是倒立的。像是倒立的。 转像系统转像系统倒像

37、变正像倒像变正像伽利略望远镜：伽利略望远镜：无需转像，但是无法安装分划板无需转像，但是无法安装分划板一一. 望远系统的分辨率及工作放大率望远系统的分辨率及工作放大率望远系统分辨率用望远系统分辨率用极限分辨角极限分辨角表示：表示：DfDunfunfa/0142/sin, 1sin61. 0000 按道威判据：1 2 0=D 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：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，也称为有效放大上式是在满足分辨率要求的最小视觉放大率，也称为

38、有效放大率。然而眼睛在极限分辨率下工作是疲劳，在设计视觉放大率率。然而眼睛在极限分辨率下工作是疲劳，在设计视觉放大率按上式计算出后再放大按上式计算出后再放大23倍，称为工作放大率，若倍，称为工作放大率，若23倍则倍则 D 分辨角分辨角：（对观察仪器的精度要求）：（对观察仪器的精度要求） 60/ 瞄准误差瞄准误差：（对瞄准仪器的精度要求）：（对瞄准仪器的精度要求） 使用压线瞄准，则有使用压线瞄准，则有60/ 使用双线或叉线瞄准，则有使用双线或叉线瞄准，则有10/3 . 214060DD二二. 望远镜的视场望远镜的视场开普勒望远镜开普勒望远镜物镜框是孔径光阑，也是入瞳，物镜框是孔径光阑，也是入瞳，

39、出瞳在目镜外面，与人眼重合，目镜框是渐晕出瞳在目镜外面，与人眼重合，目镜框是渐晕光阑，一般允许光阑，一般允许50%渐晕。分划板是视场光阑。渐晕。分划板是视场光阑。物方视场角满足：物方视场角满足：为视场光阑半径yfy0/tan。伽里略望远镜伽里略望远镜人眼瞳孔为孔径光阑，又是望远人眼瞳孔为孔径光阑，又是望远系统的出瞳，物镜框是视场光阑，又是入射窗系统的出瞳，物镜框是视场光阑，又是入射窗当视场存在当视场存在50%渐晕时，视场角为：渐晕时，视场角为：为目镜到眼睛距离望远镜机械筒长，222222:)(22tan)(2tanzzzzczzzlLlLDlDlllllD视觉放大率越大，视场越小。视觉放大率越

40、大，视场越小。第五节第五节 目镜目镜目镜的作用类似于放大镜，主要参数包括：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、工作距离焦距、视场角、相对镜目距、工作距离。视场角视场角：像方视场角2tantan镜目距镜目距是目镜后表面的顶点到出瞳的距离，是目镜后表面的顶点到出瞳的距离，相对相对镜目距镜目距是其与目镜焦距之比。目镜的孔径光阑和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物镜的孔径光阑重合，出瞳位于目镜后焦平面附近。近。一一 基本概念基本概念 根据牛顿公式，可得：根据牛顿公式，可得：目镜的后截距相对镜目距：FFeeFeeFlflfpflp

41、ffflp1/)(02目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离称为目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离称为目镜的工作距目镜的工作距。孔径光阑视场光阑出瞳HHFf 0-fef eXPlFF工作距离工作距离l F 目镜第一面的顶点到物方焦平面的距离，称为工目镜第一面的顶点到物方焦平面的距离，称为工作距离作距离l F。为适应人眼的不同情况，需要进行视度。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，视度调节范调节。工作距离要大于视度调节深度，视度调节范围一般在围一般在5D。 目镜相对视场光阑（分划板）的移动量目镜相对视场光阑（分划板）的移动量x等于等于 x = 5f e2 / 10

42、00F1(F2)F2F2F2F-x2x2F2-x2AAx2正常远视眼近视眼望远镜中的辅助系统场镜v场镜是一个正透镜组，将其放置在物镜的焦面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，让更多的光线通过系统， 场镜场镜物镜物镜目镜目镜二、惠更斯目镜二、惠更斯目镜结构：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。镜，后面的称为接目镜

43、。 惠更斯目镜的视场角惠更斯目镜的视场角2 400500相对镜目距约相对镜目距约P/ f e1/3特点：特点： 场镜、场镜、接目镜接目镜均为平凸透镜，且均以凸面朝向物体。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。场镜进行测量。场镜和接目镜的像差是相互补偿的，不宜放分划和接目镜的像差是相互补偿的，不宜放分划板。板。此目镜的视角大，结构紧凑，适用于生物显微镜。此目镜的视角大，结构紧凑，适用于生

44、物显微镜。三、冉斯登目镜三、冉斯登目镜结构：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。目镜移近，使物镜的像面移出目镜。冉斯登目镜的视场角冉斯登目镜的视场角2 300400相对镜目距约相对镜目距约P / f e1/3特点：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。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。对物镜所成的像

45、进行测量，适用于测微目镜。四、其他类型的目镜（结构与参数）四、其他类型的目镜（结构与参数）1、凯涅尔目镜、凯涅尔目镜 凯涅尔目镜，它是冉斯登目镜的改凯涅尔目镜，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，畸变比色差和球差较小，畸变比冉斯登目镜冉斯登目镜小小，不能消除场曲。，不能消除场曲。凯涅尔凯涅尔目镜的视场角目镜的视场角2 300400相对镜目距约相对镜目距约P / f e1/2 2、无畸变目镜、无畸变目镜 四片两组结构，其中场镜为三胶合四片两组结构，其中场镜为三胶合

46、透镜，接目镜为平凸透镜，该目镜成功透镜，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。倍率都有良好表现，一直被广泛采用。无畸变目镜的视场角无畸变目镜的视场角2 480相对镜目距约相对镜目距约P / f 0.8 3、长出瞳目镜、长出瞳目镜用于军事目的仪器需要较长的出用于军事目的仪器需要较长的出瞳距，可达瞳距，可达2225mm。长出瞳目镜的视场角长出瞳目镜的视场角2 500截距截

47、距 lF0.3f , lFf 例：用望远镜观察时要鉴别例：用望远镜观察时要鉴别5公里处公里处200毫米的间距，应选用毫米的间距，应选用多大倍率的望远镜？多大倍率的望远镜？先求出直接观察时的视角先求出直接观察时的视角 因为人眼的视角分辨率为因为人眼的视角分辨率为1 1。仪器必须将视角。仪器必须将视角0 0.138138扩大扩大1 1以上，人眼才能分辨。所以仪器的视放大率至少应为以上，人眼才能分辨。所以仪器的视放大率至少应为 应选用应选用8X以上的望远镜。以上的望远镜。6138. 060180105200 3 . 7138. 01 tgtg 212222122(1)LLdnnnrLrdrnn齐明透

48、镜：物点位于透镜第一个折射面的曲率中心。第二个折射面满足第三类齐明点。透镜位于空气中由图知1111nLn Ln22222nnn1 2n22(1)nrLn21(1)nrrdn若要满足齐明条件，需21(1)nrrdn即由此解得： 22222222221sinsinsinsin sinsin11sinsinsinnInInIInUUUUUnn2222,IUIU12UU由齐明条件和及折射定律得：可见，齐明透镜的使用可以使孔径角增大n倍。应用：增大物镜的孔径角7.6 摄影系统 摄影系统是把外界景物成像在感光元件上，从摄影系统是把外界景物成像在感光元件上，从而产生景物像。而产生景物像。像平面（感光底片）在

49、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。一一 摄影物镜的光学特性摄影物镜的光学特性 摄影物镜的光学特性由焦距摄影物镜的光学特性由焦距 f 、相对孔径、相对孔径 D/f 和视场角和视场角2 表示。表示。 1. 1. 视场角视场角 摄影物镜的感光元件框是视场光阑和出射窗，它决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。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。摄影底片限制了摄影物镜的视场角。 常用摄影底片规格常用摄影底片规格 tgyf 在拍摄远处物体时，像的大小为在拍摄远处物体时，像的大小为在拍摄近处物体时，像的

50、大小取决于垂轴放大率在拍摄近处物体时，像的大小取决于垂轴放大率/yyyfx 对于远处物体，当焦距确定时，根据胶片规格，物方最对于远处物体，当焦距确定时，根据胶片规格，物方最大视场角为大视场角为 maxmaxtg/ 2yf底片的对角线长度。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。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通标准镜头的视场角为404060600 0。 2. 焦距 f 在摄影系统中，焦距决定了拍摄像的放大率。在摄

51、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，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。焦距长则像放大倍率大，焦距短则像放大倍率小。 /fx 根据焦距不同，普通照相机镜头可分为标准镜头、广角镜头、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。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变焦镜头较常见的变焦范围为35mm70mm。这种镜头可取。这种镜头可取代普通标准镜头，使用起来更为灵活。代普通标准镜头，使用起来更为灵活。

52、对于同样的接收器尺寸，放大倍率小的物镜，拍摄范围就大；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。放大倍率大的物镜，拍摄范围就小。 3. 相对孔径D/f 入射光瞳口径入射光瞳口径 D 与焦距与焦距 f 之比定义为相对孔径它是决之比定义为相对孔径它是决定摄影系统分辨率和像面光照度的重要参数，同时还与景深、定摄影系统分辨率和像面光照度的重要参数，同时还与景深、焦深有关。焦深有关。 a. 分辨率摄影系统的分辨率取决于摄影系统的分辨率取决于物镜的分辨率物镜的分辨率和和接收器的分辨率接收器的分辨率。物镜的理论分辨率为物镜的理论分辨率为: / (1.22)NDf分

53、辨率是以像平面上每毫米内能分辨开的线对数表示。分辨率是以像平面上每毫米内能分辨开的线对数表示。取取 0.555 m，则，则1475/1475/ND fF显然物镜的分辨率与相对孔径成正比。显然物镜的分辨率与相对孔径成正比。b. 像面照度Ff /D称作物镜的称作物镜的光圈数光圈数，也称，也称 F 数数。当物体在无限远时，像面照度为：当物体在无限远时，像面照度为：2214DELf 显然像平面的照度与相对孔平方成正比。显然像平面的照度与相对孔平方成正比。像面照度主要取决于相对孔径：像面照度主要取决于相对孔径：系统透射比。：物体亮度；：物像垂轴放大率；：光瞳垂轴放大率；LfDLULEppp22222)(

54、41sin 在拍摄速度相同的情况，为了适应不同天气以保证像面在拍摄速度相同的情况，为了适应不同天气以保证像面照度，一般照相物镜都利用可变光阑来控制孔径光阑的大照度，一般照相物镜都利用可变光阑来控制孔径光阑的大小。小。可变光阑的分档是依据光圈数可变光阑的分档是依据光圈数F按公比为按公比为 来变化。来变化。 2表表3-3 国家标准光圈数的分档国家标准光圈数的分档二二. 摄影物镜的景深摄影物镜的景深照相制版、放映和投影物镜等只需要对一对照相制版、放映和投影物镜等只需要对一对共轭面成像。而电视、电影、照相系统则要求共轭面成像。而电视、电影、照相系统则要求对整个或部分物空间同时成像于一个像平面上。对整个

55、或部分物空间同时成像于一个像平面上。 zz Lzz 250 La2Lp La2LpDa2Lp /Lzz za2pz za2pz 2121222111 同理：同理：因为对准平面到物镜的距离因为对准平面到物镜的距离pf 可认为可认为xpf p ，则则- f / x f /ppLfappLfap)(2)(22121当在明视距离观察照片时，当在明视距离观察照片时，焦距越长，入瞳直径越大，焦距越长，入瞳直径越大，景深越小；拍摄距离越大，景深越小；拍摄距离越大，景深越大。在使用照相机景深越大。在使用照相机拍摄时，选用光圈数越大，拍摄时，选用光圈数越大，景深越大。景深越大。（光圈、曝光量）（光圈、曝光量）三

56、三. 摄影物镜的类型摄影物镜的类型普通摄影物镜普通摄影物镜大孔径摄影物镜大孔径摄影物镜广角物镜广角物镜远摄物镜远摄物镜变焦距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，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。的轴向移动、改变光组间隔来实现的。三、摄影物镜的类型三、摄影物镜的类型 属于属于大视场大视场

57、、大孔径大孔径的光学系统；的光学系统； 需校正需校正全部像差全部像差（单色（单色像像差、色差）。差、色差）。 四类摄影物镜：四类摄影物镜：1）大孔径物镜（常用，匹兹万物镜、柯克物镜）；）大孔径物镜（常用，匹兹万物镜、柯克物镜）；2）广角物镜（短焦距）；）广角物镜（短焦距）；3）长焦距物镜（长焦距）；）长焦距物镜（长焦距）；4）变焦距物镜（焦距可调节）。）变焦距物镜（焦距可调节）。 关键：高级关键：高级像像差的校正差的校正 选择物镜的类型。选择物镜的类型。1 1、大孔径物镜、大孔径物镜 1）匹兹万物镜）匹兹万物镜 A、没考虑场曲的校正，两个分开的镜组均是正光焦度；、没考虑场曲的校正，两个分开的镜

58、组均是正光焦度； B、不利于场曲校正，也利于其它、不利于场曲校正，也利于其它像像差的校正：镜头的场曲只靠差的校正：镜头的场曲只靠像像散散的平衡得到部分的补偿；的平衡得到部分的补偿； C、两个镜组承担了全部孔径负担，容易校正球差；、两个镜组承担了全部孔径负担，容易校正球差； D、常用作放映镜头，较大的相对孔径，、常用作放映镜头，较大的相对孔径， ；偏小的视场；偏小的视场， 2/1/ fD1622 2）柯克物镜）柯克物镜A A、柯克柯克物镜由三片薄透镜组成，中间是一个负透镜，两边是两物镜由三片薄透镜组成，中间是一个负透镜，两边是两块正透镜；块正透镜；B B、柯克物镜的光学性能指标是：相对孔径、柯克

59、物镜的光学性能指标是：相对孔径 ，视场角，视场角 ；5141 fD50402C C、是薄透镜结构中能、是薄透镜结构中能够校正全部七种够校正全部七种像像差差的最简单结构。的最简单结构。 大相对孔径摄影物镜（高斯物镜） 天塞物镜（海利亚物镜）2 2、广角物镜广角物镜 广角物镜多为广角物镜多为短焦距短焦距物镜，可得更物镜，可得更大的视场大的视场。 1）反远距型物镜反远距型物镜 A A、用普通物镜结构作成短焦距物镜时，其后工作距离很短，在物、用普通物镜结构作成短焦距物镜时，其后工作距离很短，在物镜后面不能放置反射棱镜或反射镜；镜后面不能放置反射棱镜或反射镜； B B、短焦距物镜采取、短焦距物镜采取反远

60、距形式反远距形式，以增大，以增大后工作距离后工作距离； C C、前组为负前组为负，后组为正后组为正，使后主面移到系统的后面，增大了后工，使后主面移到系统的后面，增大了后工作距离；作距离； D D、短的焦距短的焦距，大的视场大的视场和和长的后工作距离长的后工作距离，而且，而且像像方视场角小于方视场角小于物方视场角。物方视场角。 2 2）超）超广角物镜广角物镜 A、视场角、视场角 的物镜为超广角物镜；的物镜为超广角物镜；B、问题：、问题：像像面面边缘照度下降厉害边缘照度下降厉害；902C、结构形式结构形式：超广角物镜多采用：超广角物镜多采用对称式结构对称式结构； 反远距型物镜不适用于超广角物镜的结