第七章典型光学系统

1、第七章第七章 典型光学系统典型光学系统这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能这类光学系统是直接扩大人眼的视觉能力的，称为力的，称为目视光学系统目视光学系统 第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统一、眼睛的结构一、眼睛的结构成像光学系统成像光学系统 人眼本身相当于摄影光学系统人眼本身相当于摄影光学系统 在角膜和视网膜之间的生物构造均可在角膜和视网膜之间的生物构造均可以看作成像元。以看作成像元。人眼的构造剖视图角膜角膜* *角膜是巩膜的最前端部分，无色而透明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；眼睛内的折射主要发生在角膜上；人眼的构造剖视图角膜角膜虹膜虹膜虹膜是脉络

2、膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；虹膜是脉络膜的最前端部分，含有色素细胞，决定眼的颜色；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，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虹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。人眼的构造剖视图角膜角膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔视网膜视网膜视网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和视网膜是眼球的第三层膜，上面布满着感光元素，即锥状细胞和杆状细胞，它们在网膜上的分布式不均匀的杆状细胞，它们在网膜上的分布式不均匀的,在黄斑中心凹处在黄斑中心凹处,是锥是锥状细胞的

3、密集区而没有杆状细胞，由中心向外，逐渐相对变化；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；黄斑中心凹黄斑中心凹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。人眼的构造剖视图角膜角膜 光 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，不能引起光刺激。虹膜虹膜瞳孔瞳孔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盲斑大脑盲斑盲斑晶状体晶状体人眼的构造剖视图角膜角膜虹膜虹膜瞳孔瞳孔网膜网膜晶状体似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和

4、晶状体似双凸透镜，是眼睛光学系统的成像元件，其密度和折射率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高折射率都是不均匀的，由里层到外层逐渐减少，有利于提高成像质量。晶状体的平均折射率为成像质量。晶状体的平均折射率为1.40，其周围是毛状肌能，其周围是毛状肌能改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体改变晶状体的表面曲率，使人眼在看远近不同的物体. 黄斑中心凹黄斑中心凹 盲斑盲斑晶状体晶状体人眼的构造剖视图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； 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

5、凹 盲斑盲斑晶状体晶状体前室前室后室后室人眼的构造剖视图角膜角膜 眼睛的像方节点与中心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 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才能清晰识别，其他部分比较模糊，晰识别，其他部分比较模糊， 所以能看清物体的角度范所以能看清物体的角度范围为围为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、视网膜和瞳孔。水晶体、

6、视网膜和瞳孔。 人眼人眼 水晶体水晶体 视网膜视网膜 瞳孔瞳孔 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 光阑光阑人眼相当当于一架照相机，它它可以自动对动对目标标调调焦照相机中，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。二、眼睛的调节及校正二、眼睛的调节及校正 1 1视度调节视度调节 远近不同的其他物体，物距不同，则不会成像在远近不同的其他物体，物距不同，则不会成像在视网

7、膜上，这样我们就看不清。视网膜上，这样我们就看不清。 要想看清其他的物体，人眼就要自动地调节眼要想看清其他的物体，人眼就要自动地调节眼睛中水晶体的焦距，使像落在视网膜上。睛中水晶体的焦距，使像落在视网膜上。 眼睛自动改变焦距的过程眼睛自动改变焦距的过程称为称为眼睛的调节眼睛的调节。 正常人眼在完全放松的自然状态下正常人眼在完全放松的自然状态下 无限远目标成像在视网膜上，即无限远目标成像在视网膜上，即眼睛的眼睛的像方焦点在视网膜上。像方焦点在视网膜上。 在观察近距离物体时，人眼水晶体周围肌肉收缩，在观察近距离物体时，人眼水晶体周围肌肉收缩，使水晶体前表面半径变小使水晶体前表面半径变小眼睛光学系统

8、的焦距变短眼睛光学系统的焦距变短，后焦点前移，后焦点前移，从而使从而使该物体的像成在视网膜上。该物体的像成在视网膜上。 当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所能看清的当肌肉完全放松时（通过调节），眼睛所能看清的最远的点最远的点称为称为远点远点，其相应的距离称为，其相应的距离称为远点距远点距，以，以 lr 表示（米）表示（米） 发散度分别表示远点和近点的PlRlpr/1,/1当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清当肌肉在最紧张时（通过调节），眼睛所能看清的的最近的最近的点称为点称为近点近点，其相应的距离称为，其相应的距离称为近点距近点距，以以 lP表示（米）表示（米） 正常眼睛的远点距为正常眼

9、睛的远点距为负的负的无限远无限远，非正常眼睛（远，非正常眼睛（远视或近视）的远点距为一视或近视）的远点距为一正正/负负的有限值。的有限值。 其单位为其单位为屈光度屈光度, ,用用D D表示表示 111 mD 后者是指正常的眼睛在正常照明后者是指正常的眼睛在正常照明（约（约50勒克斯）下勒克斯）下最方便和最习惯最方便和最习惯的工作距离的工作距离，它等于，它等于250mm。 PRllApr11它不同于人眼的近点距，两者不能混淆它不同于人眼的近点距，两者不能混淆人眼的人眼的调节能力调节能力是用远点距是用远点距r的倒数和近点距的倒数和近点距p的的倒数之差来描述，用倒数之差来描述，用A来表示，即来表示，

10、即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 近点距倒数近点距倒数 称为称为近点视度近点视度。 Plp1 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，远点位置往近移，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。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， Rlr1 2瞳孔调节（适应特性）瞳孔调节（适应特性）人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。人眼还能在不同亮暗程度的条件下工作。这就是人眼

11、的另一个特性这就是人眼的另一个特性，具有对周围空间光亮情具有对周围空间光亮情况适应的过程况适应的过程 称为称为适应适应（即为（即为瞳孔的调节瞳孔的调节）。）。眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼眼睛的虹膜可以自动改变瞳孔的大小，以控制眼睛的进光亮（睛的进光亮（2mm8mm)。在设计目视光学仪器。在设计目视光学仪器时要充分考虑与眼瞳的配合时要充分考虑与眼瞳的配合。适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生适应是一种当周围照明条件发生变化是眼睛所产生的变化过程，可分为的变化过程，可分为暗适应暗适应和和明适应明适应两种，两种，前者发前者发生在光亮处到黑暗处的时候，生在光亮处到黑暗处的时候，后

12、者发生在自黑暗处后者发生在自黑暗处到光亮处的时候。到光亮处的时候。 3、眼睛的缺陷和矫正、眼睛的缺陷和矫正F正常眼在肌肉完全放松的自然状态正常眼在肌肉完全放松的自然状态下，能够看清楚无限远处的物体，下，能够看清楚无限远处的物体，即远点应在无限远（即远点应在无限远（R = 0），）， 像方焦点正好和视网膜重合像方焦点正好和视网膜重合 FF 若不符合这一条件就是若不符合这一条件就是非正常眼，或称非正常眼，或称视力不正常视力不正常 F 最常见的有近视眼和远视眼最常见的有近视眼和远视眼F 所谓所谓近视眼近视眼就是其远点在眼睛前方就是其远点在眼睛前方有限有限距离处（距离处（ lr 0） 这是由于眼球偏短

13、，像这是由于眼球偏短，像方焦点位于视网膜的之方焦点位于视网膜的之后所致。因此，射入眼后所致。因此，射入眼睛的光束只有是会聚时，睛的光束只有是会聚时，才能正好聚焦在视网膜才能正好聚焦在视网膜上。上。 对应着正视度，需以对应着正视度，需以正透镜正透镜来使其远点恢复到无限远。来使其远点恢复到无限远。 近视眼或远视眼的远点视度可通过仪近视眼或远视眼的远点视度可通过仪器来测得，知道此值后即可求得所需器来测得，知道此值后即可求得所需眼镜的焦距。眼镜的焦距。例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视例如：有一近视眼，通过验光得知其远点视度为度为-2个屈光度（眼镜行业称近视个屈光度（眼镜行业称近视200度）度）则

14、其远点距则其远点距lr = - 0.5 m，需配需配焦距为焦距为-500mm的近视眼镜。的近视眼镜。三、眼睛的分辨率（分辨本领）三、眼睛的分辨率（分辨本领） 所谓所谓人眼的分辨能力人眼的分辨能力指的是成像在中央凹区时的分辨能力。指的是成像在中央凹区时的分辨能力。 眼睛能分辨出两个非常近的点的能力眼睛能分辨出两个非常近的点的能力称为眼睛的分辨率（分称为眼睛的分辨率（分辨本领）辨本领） 人眼的分辨率一般用人眼的分辨率一般用极限分辨角极限分辨角来表示。来表示。 人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视人眼的分辨率是眼睛的重要光学特性，同时也是目视光学仪器设计的重要依据之一。光学仪器设计的重要依

15、据之一。 用其它观测设备（如照相机、用其它观测设备（如照相机、CCD等）替代人眼时也等）替代人眼时也可据此作为参考。可据此作为参考。?人眼刚能将两点分开的视角人眼刚能将两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角称为眼睛的极限分辨角?人眼分辨率人眼分辨率与与极限分辨角极限分辨角成反比成反比关系关系现在从现在从两个不同的角度两个不同的角度来分析眼睛的极限分辨角的来分析眼睛的极限分辨角的大小。大小。 首先从人眼的视网膜结构上来分析：首先从人眼的视网膜结构上来分析： ?眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛眼睛在看物空间两点时，这两点对眼睛物方节物方节点点的张角成为两点间的的张角成为两点间的角距离角距离或称为或称

16、为视角视角 如果这两点的像分别如果这两点的像分别落在被分隔开的两个落在被分隔开的两个视网膜细胞上，即得视网膜细胞上，即得到到两个点的视觉两个点的视觉 由此可见，眼睛的分辨率与视由此可见，眼睛的分辨率与视网膜上两像点网膜上两像点距离距离及视觉细胞及视觉细胞的的直径直径大小有关大小有关 当两像点的间距大于（或等于）视觉细当两像点的间距大于（或等于）视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。 视网膜上能分辨的两像点间最小距离应至少等于两视网膜上能分辨的两像点间最小距离应至少等于两个视神经细胞的直径个视神经细胞的直径,即不少于即不少于0.006mm；眼能够分；眼能够分辨最靠

17、近两相邻点的能力称为眼的分辨能力辨最靠近两相邻点的能力称为眼的分辨能力,或或 人眼能分辨的物点间最小视角称为眼的人眼能分辨的物点间最小视角称为眼的 206265006. 0ftg 60 20626523006. 0（rad） 而当眼睛处于放松状态时，而当眼睛处于放松状态时，f = 23mm。上式可得：。上式可得：（秒）（秒）极限分辨角不仅与入射光线的波长有关，而且还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与眼睛的瞳孔直径有关。眼睛的分辨能力或视觉敏锐度是极限鉴别率的眼睛的分辨能力或视觉敏锐度是极限鉴别率的倒数倒数. 视觉敏锐度视觉敏锐度=一般视觉敏锐度取作一般视觉敏锐度取

18、作1 即即人眼的极限分辨角为人眼的极限分辨角为1 。若把眼睛看作理想光学系统若把眼睛看作理想光学系统D/ 1401眼睛虽具有发现一个平面上两根平眼睛虽具有发现一个平面上两根平行直线的不重合能力，但也有一定行直线的不重合能力，但也有一定的限度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瞄准精度。眼睛的对准精度眼睛的对准精度对准与分辨是完全不同的两个概对准与分辨是完全不同的两个概念念, ,是指眼睛能区分开两个点是指眼睛能区分开两个点或线之间的线距离或角距离的能或线之间的线距离或角距离的能力力, ,是指在垂直于视轴方向上是指在垂直于视轴方向上的重合或置中过程的重合或置中过程即即

19、两线宽的两线宽的几何中心线几何中心线对人对人眼的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 瞄准精度瞄准精度和和分辨率分辨率是两个概念。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，人眼的最高瞄准精度人眼的最高瞄准精度约为分辨率的约为分辨率的1/61/6至至1/101/10。1、两实线瞄两实线瞄准 6060 2、两实线两实线端部瞄瞄准10102020 3、双线

20、对双线对准单线单线 1010 4、叉线对线对准单线单线 1010 眼睛的景深眼睛的景深当眼睛调焦在某一对准平面时当眼睛调焦在某一对准平面时, ,眼睛不必调节能眼睛不必调节能同时看清对准平面前和后某一距离的物体同时看清对准平面前和后某一距离的物体, ,称作称作22ppppDpppppDp11pDpDppp1pDpDppp2由此可得远景和近景到人眼的距离由此可得远景和近景到人眼的距离远近景深分别为远近景深分别为pDpPPp211pDpPPp222p若眼睛调节在无限远,/1pDp/2pDp则远近景深距离为用双目观察空间物体时用双目观察空间物体时, ,同一个物体在左右两眼中分同一个物体在左右两眼中分别

21、产生一个像别产生一个像, ,这两个像在视网膜上的分布只有适合这两个像在视网膜上的分布只有适合几何上某些条件时才可以产生单一视觉几何上某些条件时才可以产生单一视觉. .不同距离的物体对应不同距离的物体对应不同的视差角不同的视差角, ,其差其差异称为异称为立体视差立体视差简称简称视差视差. .用用 表示表示. .若若 大大, ,则则人眼能感人眼能感觉觉到的到的纵纵向深度大向深度大, ,若若 小小, ,则则人眼感人眼感觉觉的的纵纵向向深度小深度小. .人眼能感人眼能感觉觉到到的的 的的极极限限值值 称称为为. .min不同距离的物体对应的视差角.双双眼能分辨眼能分辨两两点点间间的的最短距离最短距离称

22、称作作, ,用用 表示表示. .LminbLL/2mmb6200005. 0 10min24108LLL 因为眼睛通过因为眼睛通过放大镜放大镜或或显微镜显微镜等目视光学仪器等目视光学仪器来观察物体时，所看到的是来观察物体时，所看到的是在眼睛视网膜上的在眼睛视网膜上的物体像的大小物体像的大小。视放大率视放大率:用仪器观察物体时视网用仪器观察物体时视网膜上的像高膜上的像高yi与用人眼直接观察与用人眼直接观察物体时视网膜上的像高物体时视网膜上的像高ye第二节第二节 放大镜放大镜eiyytgtgtgltglyyei设人眼后节点到视设人眼后节点到视网膜的距离为网膜的距离为l,上上式又可以写作式又可以写作

23、这种放大率称为这种放大率称为视角放大率视角放大率。用字母用字母 表示表示通过通过放大镜放大镜观察物体时，观察物体时，物体像的视角物体像的视角正正切切与与人眼直接观察该物体时的视角人眼直接观察该物体时的视角正切正切之之比比。tgtgtgtg眼仪 物体经经放大镜镜成像的简图简图 lPytgDytg虚虚像AB 对对眼睛所张张的视视角的正切为为眼睛直接去观观察物体时时，是将将其放在明视视距离250mm处处。此时时物体对对人眼张张角的正切为为放大镜镜的放大率可由下式求得) (lPyDytgtgfDlplfyflfyfxy放大放大镜镜的的视视角放大率不是常角放大率不是常数数, ,取取决决于于观观察察条条件

24、件和和下面是下面是两种两种特殊情特殊情况况/2500ffD12501fpffDp1250ffDlplf放大放大镜镜的的视场视场通常通常用物方用物方线视场线视场2y2y表示表示, ,当当物面放在物面放在放大放大镜镜前焦平面上前焦平面上时时, ,像平面在无限像平面在无限远远, ,渐晕渐晕是是50%50%22tgfymmphy50020例例: :一个人的近视程度是一个人的近视程度是-2D(-2D(屈光度屈光度),),调节范围调节范围是是8D,8D,求求1)1)其远点距离其远点距离2)2)其近点距离其近点距离3)3)配戴配戴100100度的近视镜度的近视镜, ,求该镜的焦距求该镜的焦距4)4)配上该近

25、视镜配上该近视镜, ,求看清的远点距离求看清的远点距离5)5)戴上该近视镜后戴上该近视镜后, ,求看清的近点距离求看清的近点距离mlPAPAPRlDlprr1.010111082)2(21)(21)1(例例:一个人的近视程度是一个人的近视程度是-2D(屈光度屈光度),调节范围是调节范围是8D,求求1)其远点距离其远点距离2)其近点距离其近点距离3)配戴配戴100度的近视镜度的近视镜,求该镜的焦距求该镜的焦距4)配上该近视镜配上该近视镜,求看清的远点距离求看清的远点距离5)戴上该近视镜后戴上该近视镜后,求看清的近点距离求看清的近点距离mlDRllfrrr1)( 11) 3(mf1mllPRAml

26、ppr11. 0811)5(1) 1(21)4(第三节第三节 显微镜系统显微镜系统对对于工作在可见见光波长长范围围的光学显学显微镜镜按用途区区分，使用量较较大的有三种种：工具显显微镜镜（主要应应用于精密机构构制造工业业等方面进进行精密测测量）；生物显显微镜镜（主要应应用于生物学学、医学医学、农学农学等方面）；金相显显微镜镜（主要应应用于冶金和机械制造工业业，观观察研研究金相组织结构组织结构）。显显微镜镜是人眼的辅辅助工具，显显微镜镜的光学学系统统由物镜镜和目镜镜两个两个部分组组成。 显微镜系统成像原理显微镜系统成像原理显显微镜镜和放大镜镜起着同样样的作用 物镜物镜目镜目镜F1F1F2BAABA

27、”B” 物镜物镜目镜目镜F1F1F2BAABA”B” AB 位于目镜镜的物方焦点 F2 上或在很靠近 F2 的位置上 此像在经经目镜镜放大为虚为虚像A”B” 后供眼睛观观察。这说这说明目镜与镜与放大镜镜的作用一样样。 经过经过物镜镜和目镜镜的两两次放大，所以显显微镜镜系统统总总的放大率应该应该是物镜横镜横向放大率和目镜镜放大率e的乘积积。 f f x11物体被物镜镜成的像A B 位于目镜镜的物方焦点上或附近，此像相对对于物镜镜像方焦点的距离为为（物镜镜和目镜镜的光学间学间隔），设设物镜镜的焦距为为f1, 则则物镜镜的放大率为为 fe2250ffe21250式中： f2 为为目镜镜的焦距。由此，

28、显显微镜镜系统统的总总放大率为为可见显见显微镜镜系统统的放大率与与光学学筒长长成正比，和物镜镜及目镜镜的焦距成反比。 式中有式中有负号负号，即当显微镜系统具有正物镜和正目镜时，即当显微镜系统具有正物镜和正目镜时（常用这种结构），则整个显微镜系统给出（常用这种结构），则整个显微镜系统给出倒像倒像。 根据组组合光组组的焦距公式可知，整个显个显微镜镜的总总焦距f 和物镜镜及目镜镜焦距之间间符合以下关关系： ff f21 f250将其代入上式中，则有将其代入上式中，则有它与放大镜公式具有它与放大镜公式具有完全相同完全相同的形式。显的形式。显微镜系统实质上就是一个微镜系统实质上就是一个复杂化了的放大镜复

29、杂化了的放大镜在显微镜系统中存在着在显微镜系统中存在着中间像中间像，故可以在，故可以在物镜的物镜的实像平面上实像平面上放置分划板，对被观察物放置分划板，对被观察物体进行测量体进行测量。共轭距,不论放大率如何都是相等的,大约等于180mm在显显微镜镜中，取下显显微物镜镜和目镜镜后，所剩下的镜镜筒长长度即物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离称物镜支撑面到目镜支撑面之间的距离称为为机械筒长机械筒长。 对于一台显微镜来说，机械筒长是固定的机械筒长各国标对于一台显微镜来说，机械筒长是固定的机械筒长各国标准是不同的，有准是不同的，有160mm，170mm和和190mm 等。等。 我国规定机械筒长为我国规定机械

30、筒长为160mm。 物平面光学系统第一个物镜的球面顶点的物平面光学系统第一个物镜的球面顶点的距离称为距离称为“工作距工作距”二二、显微镜的线视场显微镜的线视场显微镜的照明系统显微镜的照明系统(一一)照明系统的设计原则照明系统的设计原则照明系统要照明系统要满足以下满足以下要求要求：1）保证有足够的光能；）保证有足够的光能；2）有足够的照明范围和均匀的亮度；）有足够的照明范围和均匀的亮度；3）照明光束应充满物镜的入瞳；）照明光束应充满物镜的入瞳；4）尽可能减少杂光进入物镜，以免降低像面）尽可能减少杂光进入物镜，以免降低像面的对比度；的对比度；5）满足仪器尺寸布局要求；）满足仪器尺寸布局要求；2、照

31、明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的、照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量，拉赫不变量，即即根据上述要求，照明系统统在设计设计上应满应满足以下两个两个原则则： y u nnuyyun0001、光孔转接原则、光孔转接原则设照明系统的入瞳位置为光源的位置，则照明系统的出瞳设照明系统的入瞳位置为光源的位置，则照明系统的出瞳应与物镜的入瞳重合应与物镜的入瞳重合；（二）亮视场的照明方式（二）亮视场的照明方式1、直接照明、直接照明 利用自然光或灯泡照明利用自然光或灯泡照明。2、临界照明、临界照明光源发光面通过聚光镜成像在物面上或其附近的光源发光面通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式称为照明

32、方式称为临界照明临界照明。临临界照明界照明临界照明把光源的像成在物平面上临界照明把光源的像成在物平面上,帮光源表面帮光源表面亮度的不均匀性会影响显微镜的观察效果亮度的不均匀性会影响显微镜的观察效果.临界照明的聚光镜的出射光瞳和像方视场分别临界照明的聚光镜的出射光瞳和像方视场分别与物镜的入射光瞳和物方视场重合与物镜的入射光瞳和物方视场重合.一般物镜的入射光瞳在无限远一般物镜的入射光瞳在无限远,所以聚光镜的可所以聚光镜的可变光阑放在其前焦平面上变光阑放在其前焦平面上.柯勒照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺柯勒照明消除了临界照明中物平面光照度不均匀的缺点点.柯勒镜把光源放大成像在聚光镜后组的

33、前焦平面上柯勒镜把光源放大成像在聚光镜后组的前焦平面上(像方远心光路像方远心光路),照明系统的孔径光阑就位于该焦平面照明系统的孔径光阑就位于该焦平面上上,聚光镜后组又把孔径光阑成像在无限远聚光镜后组又把孔径光阑成像在无限远,即与物镜的即与物镜的入射光瞳重合入射光瞳重合.柯勒照明柯勒照明照明系统的视场光阑紧贴在柯勒镜后照明系统的视场光阑紧贴在柯勒镜后,被聚光镜被聚光镜成像在物平面上成像在物平面上.照明系统的孔径光阑确定了照明系统的孔径角照明系统的孔径光阑确定了照明系统的孔径角,也决定了分辨率和对比度也决定了分辨率和对比度,而柯勒镜后的视场光而柯勒镜后的视场光阑决定了被照明的物平面的大小阑决定了被

34、照明的物平面的大小.柯勒照明柯勒照明理想光学系统的分辨率（补充）理想光学系统的分辨率（补充）无穷远穷远自身发发光的物点，在焦平面上所成的像不是几何点，而是一个个由一系列光环组环组成的衍射图样图样。其图样的光环能量分布曲其图样的光环能量分布曲线见图所示。线见图所示。中央亮斑称为中央亮斑称为爱里斑爱里斑其上集中了总能量的其上集中了总能量的83.78%接着是第一级暗环然后是第一级亮环，其能量是接着是第一级暗环然后是第一级亮环，其能量是总能量的总能量的7.22%； 因为光环的能量主要集中在因为光环的能量主要集中在爱里斑爱里斑上，上，所以可以把它看作理想系统的点像；所以可以把它看作理想系统的点像；当两个

35、独立的光强度相当两个独立的光强度相等的发光点逐渐靠近时，等的发光点逐渐靠近时，其在系统像面上的爱里其在系统像面上的爱里斑也逐渐靠近，并开始斑也逐渐靠近，并开始有重叠的部分。有重叠的部分。这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。这就引出光学系统对相邻两物点的分辨问题。当当相邻两邻两点的间间隔，正好使一个个衍射图样图样中的爱爱里斑中心和另一个图样个图样的第一暗环环重合时时，两个两个衍射图样图样的光强分布曲线线相加而得到的合成光强分布曲线线，两个极两个极大值值之间间存在的一个极个极小值值，能量约为极约为极大值值的80%。10.8r暗1瑞利指出：瑞利指出：这种这种合成的衍射图样合成的衍射图样还是可以看

36、出是还是可以看出是由两个发光点构由两个发光点构成的。成的。10.8r暗1从图中可看出，两个从图中可看出，两个爱里斑的中心距正好爱里斑的中心距正好是爱里斑的半径。是爱里斑的半径。瑞利就以爱里斑半径或瑞利就以爱里斑半径或衍射图样的衍射图样的第一暗环半第一暗环半径径（r暗暗1）作为）作为 光学系光学系统能对无限远两点的像统能对无限远两点的像分辨得开的分辨得开的最小距离最小距离称称之为之为瑞利判据瑞利判据；按此判据，即可确定光学系统的分辨本领。按此判据，即可确定光学系统的分辨本领。 fD.D f.r2212211暗按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远系统焦平

37、面上所形成的衍射图样，其第望远系统焦平面上所形成的衍射图样，其第一暗环的半径（即爱里斑半径）可表示为一暗环的半径（即爱里斑半径）可表示为 式中，式中，波长，波长，D入射光瞳直径。入射光瞳直径。一、一、显显微系统统的线视场线视场其视场视场的大小用能看到的物方直径径表示被称为称为物方线视场线视场（简称为简称为线视场线视场）线视场线视场的大小与与显显微系统统放大率、数值数值孔径径NA以及结构结构尺寸有关关线视场线视场是显显微系统统光学学性能之一物方线视场实际线视场实际上就是系统统的入窗。显显微系统统是用来观来观察、分辨物体的细节细节（生物显显微镜镜）或瞄瞄准（工具显显微镜镜）的 显微系统得光学性能显

38、微系统得光学性能要求视场内视场内的照度适宜、均匀匀、成像清清晰、没没有渐晕渐晕、杂杂散光的干扰扰小视场视场光阑应阑应安放在物镜镜像平面处处。不同的显显微系统统其孔径径光阑阑的位置也不同生物显显微镜镜的孔径径光阑阑就是物镜镜框工具显显微镜镜孔径径光阑阑放在物镜镜像方焦平面上构构成物方远远心光路显微系统的物镜显微系统的物镜（一）显微物镜的特点（一）显微物镜的特点v在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有：在选用或设计显微物镜时所考虑的光学性能主要有：v数值孔径数值孔径v放大率放大率vNA的大小直接影响分辨本领和成像亮度，它是物镜的的大小直接影响分辨本领和成像亮度，它是物镜的 主要性能指标。主要

39、性能指标。v对于不同倍率的物镜，像方视场对于不同倍率的物镜，像方视场2y为一定值，所以高为一定值，所以高倍物镜视场小。倍物镜视场小。l lmaxUsinnNA yy22v线视场线视场精密测测量用的显显微物镜镜就有以下特点： 1、在满足一定瞄准和读数精度的条件下，物镜放大率一、在满足一定瞄准和读数精度的条件下，物镜放大率一般不高，约在般不高，约在1x10 x之间；之间；v2、物镜的放大率要求严格准确，允差、物镜的放大率要求严格准确，允差0.050.1%；v6、为了减小物镜有视差引起的放大率误差，孔径光阑、为了减小物镜有视差引起的放大率误差，孔径光阑设置在物镜的像方焦平面上，构成设置在物镜的像方焦

40、平面上，构成物方远心光路物方远心光路。v3、工作距离和线视场都较大，以满足观测一定大小零、工作距离和线视场都较大，以满足观测一定大小零 件的要求；件的要求；v4、在校正轴上像差时，也要校正轴外像差，像质要求、在校正轴上像差时，也要校正轴外像差，像质要求 较高；较高；v5、物镜的数值孔径较小（、物镜的数值孔径较小（最常用最常用NA=0.1)；为了保证像；为了保证像的照度，照明系统的光源常用低电压、小功率、高亮度的的照度，照明系统的光源常用低电压、小功率、高亮度的（二）显显微物镜镜显微物镜根据用途不同分为：显微物镜根据用途不同分为：v消色差显微物镜消色差显微物镜v复消色差物镜复消色差物镜v平场消色

41、差物镜平场消色差物镜v40X0.95复消色显微物镜复消色显微物镜v普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、普通显微物镜大多数属于消色差型，只需校正球差、正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。正弦差、轴向色差即可，但边缘像质较差。v平场复消色差物镜平场复消色差物镜v40X0.85平场复消色显微物镜平场复消色显微物镜v折反射显微物镜折反射显微物镜按数值数值孔径径NA的大小由四种种型式1、双胶双胶型 =15x NA=0.10.15v 2、李斯特型、李斯特型 =820 x NA=0.250.30v 3、阿米西型、阿米西型 =2540 x NA=0.400.65v 4、阿贝油浸型、阿贝油浸型 =9

42、0100 x NA=1.251.40精密测测量中的显显微镜镜，使用高倍物镜镜的不多。一般均采用低倍和中倍物镜镜；但要求平像场场；所以与与同倍其它它物镜镜相比，其结构结构形式比较复杂较复杂。v下图是工具显微镜下图是工具显微镜1X物镜的两种结构。视场物镜的两种结构。视场20mm，工作距离，工作距离80mm，数值孔径，数值孔径0.03。孔径光阑孔径光阑孔径光阑孔径光阑v下图是工具显微镜下图是工具显微镜3X物镜的结构。视场分别为物镜的结构。视场分别为6.7mm，工作距，工作距离离80mm，数值孔径，数值孔径0.09。下图图是工具显显微镜镜10X物镜镜的结构结构。视场视场2mm，工作距离20mm，数值数

43、值孔径径0.16。下图图是工具显显微镜镜40X物镜镜的结构结构。视场视场0.5mm，工作距离10.5mm，数值数值孔径径0.35。孔径光阑孔径光阑第四节第四节 望远系统一、望远系统的一般性质一、望远系统的一般性质物镜（入瞳）视场光阑目镜出瞳F1F2物镜的像方焦点应与目镜的物方焦点重合，物镜的像方焦点应与目镜的物方焦点重合，光光学间隔学间隔=0。 使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学使入射的平行光束仍能保持平行地射出的光学系统系统称为称为望远系统或望远镜望远系统或望远镜。 fD.D f.r2212211暗按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远按照夫琅和费衍射理论，无限远的发光点在望远系统

44、焦平面上所形成的衍射图样，其第一暗环的系统焦平面上所形成的衍射图样，其第一暗环的半径（即爱里斑半径）可表示为半径（即爱里斑半径）可表示为 式中，式中，波长，波长，D入射光瞳直径。入射光瞳直径。D/f可认为是物镜的可认为是物镜的相对孔径相对孔径。物镜的分辨本领决定于它的相对孔径。物镜的分辨本领决定于它的相对孔径。望远系统的分辨率是以远处能分辨的两点对物镜入瞳望远系统的分辨率是以远处能分辨的两点对物镜入瞳中心的张角中心的张角来表示的，称为来表示的，称为最小分辨角最小分辨角。与爱里斑半径之间有如下关系：与爱里斑半径之间有如下关系： f/r1暗radD22.1)s(DD.140206265000555

45、0221将将r暗暗1公式公式代入上式中得代入上式中得现以人眼最灵敏的波长现以人眼最灵敏的波长=550nm代入，得到代入，得到可见，以最小分辨角来表示望远物镜的分辨率时，可见，以最小分辨角来表示望远物镜的分辨率时，它仅决定于物镜的孔径（入瞳直径）。它仅决定于物镜的孔径（入瞳直径）。对于目视系统来说有意义的是对于目视系统来说有意义的是视角放大率视角放大率fftgtgtgtg210即通过望远镜观察时，物体的像对眼睛视角即通过望远镜观察时，物体的像对眼睛视角的的正切与眼睛直接观察该物体时的视角正切与眼睛直接观察该物体时的视角0 正切之正切之比。比。由于物体到眼睛的距离相对于望远镜的长度来说由于物体到眼

46、睛的距离相对于望远镜的长度来说要大得多，要大得多，0与物体对入射光瞳中心的张角与物体对入射光瞳中心的张角可可认为相等认为相等因此望远镜的视角放大率以因此望远镜的视角放大率以表示，与望远镜的表示，与望远镜的角放大率角放大率相同，即相同，即DD1由于垂轴放大率由于垂轴放大率为常数即可用出瞳直径为常数即可用出瞳直径D和入瞳直径和入瞳直径D之比表示，所以之比表示，所以视角放大率视角放大率仅仅仅仅取决于望远系统的结构参数取决于望远系统的结构参数。严格来说，望远镜应该用来观察无限远物体。严格来说，望远镜应该用来观察无限远物体。60表示表示观测仪器观测仪器精度的指标精度的指标是它的是它的最小分辨角最小分辨角

47、。若以若以60作为人眼的分辨极限，使望远镜所能分作为人眼的分辨极限，使望远镜所能分辨的细节也能被人眼分辨即辨的细节也能被人眼分辨即达到了充分利用望达到了充分利用望远镜分辨率的目的远镜分辨率的目的.望远镜的视角放大率应与其最小分辨角望远镜的视角放大率应与其最小分辨角有有如下关系：如下关系：把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得：把望远镜的最小分辨角公式代入上式中得：3214060.DD这就是望远镜应该具备的这就是望远镜应该具备的最小视角放大率最小视角放大率。也是也是正常放大率正常放大率。为了减轻操作人员的疲劳，设计望远系统时为了减轻操作人员的疲劳，设计望远系统时应用大于正常分辨率的工作分辨率来作为

48、望应用大于正常分辨率的工作分辨率来作为望远系统的视角放大率。远系统的视角放大率。6010工作放大率工作放大率常常为正常放大率为正常放大率的的1.53倍倍。若取若取2.3倍，则倍，则=D。在瞄准仪器中，仪器的精度用在瞄准仪器中，仪器的精度用瞄准误差瞄准误差来来表示，它与瞄准方式有关。表示，它与瞄准方式有关。若是若是压线瞄准压线瞄准时：时：若是若是对线、双线对线、双线或或叉线瞄准叉线瞄准时：时：由此可见，望远镜的视角放大率越大，其测由此可见，望远镜的视角放大率越大，其测量精度越高。量精度越高。二、伽利略望远镜远镜和开开普勒望远镜远镜伽利略望远镜远镜是由物镜镜和负负目镜镜按光学间学间隔=0=0的方式

49、组组合而成。F1F2出瞳df1df1,具有筒长短、体积小、重量轻等特点；具有筒长短、体积小、重量轻等特点；这种望远镜这种望远镜没有中间实像面没有中间实像面，无法安置分划板无法安置分划板，不能直接作为瞄准和精确定位之用。不能直接作为瞄准和精确定位之用。上面的光路图图是在不考虑虑眼瞳作用时时，伽利略望远镜远镜的物镜镜框就是整个个系统统的入射光瞳。F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗由于眼瞳无法与之重合，所以轴外光束中有一部由于眼瞳无法与之重合，所以轴外光束中有一部分光线不能进入眼眶，而产生拦光现象。分光线不能进入眼眶，而产生拦光现象。若把若把眼瞳眼瞳也作为一

50、个也作为一个光孔光孔来考虑，它就是整个系来考虑，它就是整个系统的统的出射光瞳出射光瞳，也是，也是孔径光阑孔径光阑。F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗该光阑被目镜和物镜所成的像位于眼瞳之后，该光阑被目镜和物镜所成的像位于眼瞳之后，是一个放大的虚像，这就是系统的入射光瞳。是一个放大的虚像，这就是系统的入射光瞳。这时伽利略望远镜的视场光阑为物镜框，被这时伽利略望远镜的视场光阑为物镜框，被目镜所成的像位于物镜和目镜之间，就是系目镜所成的像位于物镜和目镜之间，就是系统的出射窗。统的出射窗。入瞳中心对对入窗的张张角即系统统的视视角2，眼瞳的位置和系统统的放大率都影

51、响响着实际视场实际视场的大小F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗DlLlz2 入窗并不与物体重合，使轴外点光束产生渐晕。入窗并不与物体重合，使轴外点光束产生渐晕。F1，F2O1O2P物镜（入窗、视场光阑）目镜眼瞳（出瞳、孔径光阑）入瞳出窗DlLlz2222zlLDlDtg伽利略望远镜的视场角伽利略望远镜的视场角、物镜直径、物镜直径D、眼瞳位、眼瞳位置置lz2以及系统的放大率以及系统的放大率之间有如下的关系：之间有如下的关系：说明，伽利略望远镜在物镜口径一定时，倍率越说明，伽利略望远镜在物镜口径一定时，倍率越高，视场越小。高，视场越小。 伽利略就是利用这种

52、望远镜发现了木星的卫星。伽利略就是利用这种望远镜发现了木星的卫星。 这种结构的望远镜多被采用为激光的发射系统，这种结构的望远镜多被采用为激光的发射系统，做为激光准直仪的一个组成部分。做为激光准直仪的一个组成部分。 最早由德国科学家开普勒（最早由德国科学家开普勒（Johannes Kepler）于）于1611年发明的年发明的。 开普勒望远镜的物镜和目镜都是正透镜，这样开普勒望远镜的物镜和目镜都是正透镜，这样就克服了伽利略望远镜中间没有实像的缺点。就克服了伽利略望远镜中间没有实像的缺点。 因为最后成倒像，系统需要考虑转像系统的安因为最后成倒像，系统需要考虑转像系统的安置以便正像，结构上要比伽利略望

53、远镜复杂。置以便正像，结构上要比伽利略望远镜复杂。 这样就具备了测量和瞄准的条件。这样就具备了测量和瞄准的条件。下图为开图为开普勒望远镜远镜的光路图图：物镜（入瞳）目镜视场光阑出瞳被目镜拦掉部分v目镜的口径如果足够大，开普勒望远镜中的光束将目镜的口径如果足够大，开普勒望远镜中的光束将没有渐晕现象。没有渐晕现象。出瞳直径出瞳直径D和出瞳距和出瞳距p出瞳直径是望远镜的一项重要性能指标出瞳直径是望远镜的一项重要性能指标出瞳直径的确定如下：出瞳直径的确定如下：望远镜的主观亮度决定于出瞳面上的发光强度望远镜的主观亮度决定于出瞳面上的发光强度发光强度与出瞳直径的平方成正比发光强度与出瞳直径的平方成正比决定

54、了望远镜射出的光能的大小决定了望远镜射出的光能的大小从景深角度考虑，出瞳直径越大，景深越小从景深角度考虑，出瞳直径越大，景深越小出瞳距是出瞳到目镜最后一面透镜顶点的距离出瞳距是出瞳到目镜最后一面透镜顶点的距离当出瞳满足定义要求，出瞳距应考虑到人眼观察的当出瞳满足定义要求，出瞳距应考虑到人眼观察的特点和使用情况，一般不小于特点和使用情况，一般不小于6mm。视场角视场角望远镜物方视场用系统的视场角表示望远镜物方视场用系统的视场角表示光学长度光学长度望远镜物镜和目镜焦距之和为光学长度望远镜物镜和目镜焦距之和为光学长度三、望远镜远镜的物镜镜望远物镜的光学特性都用相对孔径望远物镜的光学特性都用相对孔径D

55、/f 、焦距、焦距f 和视和视场角场角2表示。表示。v物镜的这些性能参数决定了它的分辨能力、像的亮度和物镜的这些性能参数决定了它的分辨能力、像的亮度和结构的尺寸。结构的尺寸。v望远物镜可分为三种结构型式：即折射式、反射式和折望远物镜可分为三种结构型式：即折射式、反射式和折反射式望远物镜。反射式望远物镜。v（一）折射式望远物镜（一）折射式望远物镜v(1)双胶合物镜：结构简单，制造方便，光能损失少。双胶合物镜：结构简单，制造方便，光能损失少。可以同时校正球差、正弦差和色差。可以同时校正球差、正弦差和色差。v因为胶合面上产生比较大的正高级球差，相对孔径要因为胶合面上产生比较大的正高级球差，相对孔径要

56、受到限制。受到限制。v这种物镜不能校正轴外像差，所以视场角这种物镜不能校正轴外像差，所以视场角2不得超过不得超过810。（2）双双分离物镜镜与双胶合物镜相比，其可以在更大的范围内选择玻璃对，与双胶合物镜相比，其可以在更大的范围内选择玻璃对，使球差、色差和正弦差同时得到校正，只是装配校正比使球差、色差和正弦差同时得到校正，只是装配校正比较困难较困难。（3）三分离物镜）三分离物镜v将双分离物镜中的正透镜一分为二。将双分离物镜中的正透镜一分为二。v透镜的弯曲比较自由，可以使之成为校正色球差的有力透镜的弯曲比较自由，可以使之成为校正色球差的有力形状。形状。v用光学零件位置的变化，实现调焦作用的光学系统

57、称为用光学零件位置的变化，实现调焦作用的光学系统称为调焦系统。调焦系统。（4）内调焦望远物镜）内调焦望远物镜v调焦系统分为外调焦和内调焦。调焦系统分为外调焦和内调焦。v若以目镜相对于物镜的位置变化实现调焦称若以目镜相对于物镜的位置变化实现调焦称系统。系统。v外调焦系统的结构比较简单，像质也比较好。但外形尺外调焦系统的结构比较简单，像质也比较好。但外形尺寸较大，密封性能很差。寸较大，密封性能很差。当物体在有限远时，移动物镜中的一块负透镜，使物镜所成的像当物体在有限远时，移动物镜中的一块负透镜，使物镜所成的像仍然在固定的分划板处。这种系统就称为仍然在固定的分划板处。这种系统就称为系统。该系统尺系统

58、。该系统尺寸小，携带方便，密封性能好，在大堤测量仪器中多采用此光路寸小，携带方便，密封性能好，在大堤测量仪器中多采用此光路物镜分划板目镜（二）反射式望远远物镜镜天文望远镜常用反射式物镜。天文望远镜常用反射式物镜。v目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜。目前，多采用双反射系统来做为天文望远镜的物镜。v比较著名的双反射系统由两种：卡塞格林系统和格列果比较著名的双反射系统由两种：卡塞格林系统和格列果里系统。里系统。v卡塞格林系统是由两个反射镜组成，主镜是抛物面，副卡塞格林系统是由两个反射镜组成，主镜是抛物面，副镜是双曲面，所成的是倒像，这种结构的筒长比较短。镜是双曲面，所成的是倒像，这种结构

59、的筒长比较短。主镜副镜F格列果里系统统也是有两个两个反射面组组成，主镜镜仍为为抛物面，副镜镜改为椭为椭球面，所成的像正像,这种结构这种结构的筒长长比较长较长。（三）折反射系统统F主镜副镜反射系统对轴外像差的校正是很困难的。反射系统对轴外像差的校正是很困难的。理想的折反射系统中反射镜应该是非球面型的，但加工理想的折反射系统中反射镜应该是非球面型的，但加工比较困难。比较困难。折反射型望远远物镜镜比较较典型的有施密特物镜镜和马马克苏苏托夫物镜镜施密特物镜镜由球面主镜镜和施密特校正板组组成。v非球面的面型能够使中央的光束略有会聚，而使边缘非球面的面型能够使中央的光束略有会聚，而使边缘的光束略有发散，这样球差得到很好校正。的光束略有发散，这样球差得到很好校正。v校正板是个透射元件，其中一个面是平面，另一个面是校正板是个透射元件，其中一个面是平面，另一个面是非球面。非球面。F施密特校正板马马克苏苏托夫