工程光学第七章郁道银版PPT作者窦柳明(长沙理工大学)

1、第七章第七章 典型光学系统典型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1第二节第二节 放大镜放大镜2 第三节第三节 显微镜系统显微镜系统3 第四节第四节 望远镜系统望远镜系统4第七章第七章 典型光学系统典型光学系统 第五节第五节 目镜目镜5第六节第六节 摄影系统与投影系统摄影系统与投影系统6第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 一、眼睛的构造一、眼睛的构造 角膜（角膜（1.38） 前室前室（1.34） 瞳孔瞳孔 水晶体（水晶体（1.4） 后室（后室（1.34） 盲点盲点 视神经视神经 视网膜视网膜 黄斑黄斑 虹彩膜虹彩膜 睫状肌睫状肌 悬韧带悬韧带 括约肌括约肌 主要光

2、学器官主要光学器官 角膜：角膜：角质透明体。角质透明体。前室：前室：充满透明液体。充满透明液体。瞳孔：瞳孔：虹彩膜围成的小虹彩膜围成的小孔，括约肌控制大小。孔，括约肌控制大小。水晶体：水晶体：多层透明膜构成的双凸透镜，屈多层透明膜构成的双凸透镜，屈光度较大。形状由睫状肌和悬韧带改变。光度较大。形状由睫状肌和悬韧带改变。后室：后室：充满胶状透明液体，有一定屈光度，支撑视网膜。充满胶状透明液体，有一定屈光度，支撑视网膜。视网膜：视网膜：大量视神经构成的感光面，视神经与大脑相连。大量视神经构成的感光面，视神经与大脑相连。黄斑：黄斑：视神经分布最为密集，视觉最灵敏的椭圆状凹陷区。视神经分布最为密集，视

3、觉最灵敏的椭圆状凹陷区。第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 黄斑与眼睛光学系统物方节点的连线为黄斑与眼睛光学系统物方节点的连线为视轴视轴。人眼的视场可达。人眼的视场可达150150。，但，但清晰成像范围为清晰成像范围为。从光学角度，人眼中最从光学角度，人眼中最重要的三样是什么？重要的三样是什么？角膜（角膜（1.38） 前室前室（1.34） 瞳孔瞳孔 后室（后室（1.34） 盲点盲点 视神经视神经 视网膜视网膜 黄斑黄斑 虹彩膜虹彩膜 睫状肌睫状肌 悬韧带悬韧带 括约肌括约肌 瞳孔瞳孔光阑；光阑；水晶体水晶体镜头；镜头；视网膜视网膜感光底片；感光底片；视网膜视网膜 第一节第一节 眼睛

4、及其光学系统眼睛及其光学系统 水晶体水晶体（1.37-1.4） 水晶体水晶体（1.37-1.4） 瞳孔瞳孔 标准眼和简约眼标准眼和简约眼标准眼标准眼：根据大量测试结果，定出了眼睛的各项光学常数，：根据大量测试结果，定出了眼睛的各项光学常数，包括各透光部分的折射率、各光学表面的曲率半径以及有关包括各透光部分的折射率、各光学表面的曲率半径以及有关距离，满足这些光学数值的眼睛为标准眼。距离，满足这些光学数值的眼睛为标准眼。简约眼简约眼：为了近似计算的方便，可把标准眼简化为一个折射：为了近似计算的方便，可把标准眼简化为一个折射球面的模型来代替，称为简约眼。简约眼的参数为：球面的模型来代替，称为简约眼。

5、简约眼的参数为：mmrnmmr7 . 93/456. 5视网膜的曲率半径像方介质的折射率折射面的曲率半径mmfmmf26.227.16像方焦距物方焦距3/4 n第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 1 1、适应、适应 ：人眼本能地适应不同明暗环境的能力。：人眼本能地适应不同明暗环境的能力。视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的视网膜是由锥状细胞和杆状细胞组成的辐射接收器辐射接收器。杆状细胞杆状细胞对光刺激非常敏感，感受弱光，能分辨明暗，对对光刺激非常敏感，感受弱光，能分辨明暗，对507nm最最灵敏，但完全灵敏，但完全不感色不感色；在暗照明时，视觉主要由杆状细胞起作用。；在暗照明时，视觉主

6、要由杆状细胞起作用。锥状细胞锥状细胞的感光能力的感光能力差很多差很多，感受强光，对，感受强光，对555nm最灵敏，对颜色最灵敏，对颜色和细节分辨能力强。在亮照明时，视觉主要由锥状细胞起作用。和细节分辨能力强。在亮照明时，视觉主要由锥状细胞起作用。二、人眼的适应与调节二、人眼的适应与调节第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 注意：注意：人眼的亮、暗环境适应人眼的亮、暗环境适应不是只靠瞳孔大小改变不是只靠瞳孔大小改变来实现的。来实现的。 人眼对各种光亮环境的适应能力亮度比可达：人眼对各种光亮环境的适应能力亮度比可达：10101212:1:1瞳孔大小改变范围：瞳孔大小改变范围：2929 m

7、m mm。 适应分为适应分为暗适应暗适应和和明适应明适应两种：两种： 暗适应：暗适应：发生在由明发生在由明暗时，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，暗时，眼睛的瞳孔放大，敏感度提高，经一定时间才能适应，约经一定时间才能适应，约3030分钟后，敏感度才达最大。分钟后，敏感度才达最大。 明适应：明适应：适应过程较快，几分钟即可，但敏感度大大降低。适应过程较快，几分钟即可，但敏感度大大降低。 第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 2 2、调节、调节 人眼能本能地改变光焦度人眼能本能地改变光焦度( (焦距焦距) )，以看清不同距离的物体。，以看清不同距离的物体。远点远点 在调节肌肉在调节肌肉完全放松

8、完全放松时，眼睛所能看清的时，眼睛所能看清的最远点。最远点。 近点近点 在调节肌肉在调节肌肉最紧张最紧张时，眼睛所能看清的时，眼睛所能看清的最近点。最近点。 机理：机理：在睫状肌和悬韧带的作用下，水晶体前后表面曲率半径在睫状肌和悬韧带的作用下，水晶体前后表面曲率半径变化，从而使光焦度变化。人眼是变化，从而使光焦度变化。人眼是变焦距系统变焦距系统。远点距远点距 眼睛物方主点到眼睛物方主点到远点远点的距离，用的距离，用 表示；表示； 近点距近点距 眼睛物方主点到眼睛物方主点到近点近点的距离，用的距离，用 表示。表示。 plrl远点：f 23mm； 近点：f 18mm。第一节第一节 眼睛及其光学系统

9、眼睛及其光学系统 明视距离明视距离：人眼观察物体：人眼观察物体最方便最方便和和习惯习惯的工作距离，的工作距离，250250mm。 调节范围调节范围： （单位：屈光度（单位：屈光度D，1 1D=1/ /m）prllPRA11人眼的调节能力用人眼的调节能力用调节范围调节范围来表示来表示 远点和近点的会聚度（发散度）远点和近点的会聚度（发散度）调节范围随人年龄的增大而变小。调节范围随人年龄的增大而变小。 原理：原理：加凹透镜使无限远物体经凹透镜加凹透镜使无限远物体经凹透镜后成像于该近视眼的后成像于该近视眼的远点远点处。处。 三、人眼的缺陷及矫正三、人眼的缺陷及矫正 1 1、近视眼及矫正方法、近视眼及

10、矫正方法 近视眼：近视眼：人眼在完全放松情况下，人眼在完全放松情况下，无限远物体成像于视网膜前，或人眼在无限远物体成像于视网膜前，或人眼在完全放松情况下，眼前有限远物体成像完全放松情况下，眼前有限远物体成像于视网膜上。于视网膜上。 原因：原因：由于眼球过长，后焦点位于由于眼球过长，后焦点位于视网膜之前所致。视网膜之前所致。矫正方法：矫正方法：配戴配戴 的的凹透镜凹透镜。 rlfFF 正常眼：正常眼：眼睛光学系统的后焦点在视网膜眼睛光学系统的后焦点在视网膜上，称为上，称为正常眼正常眼；反之，称为；反之，称为反常眼反常眼。FF 远点远点 远点距离远点距离lr（单位为（单位为m）的倒数表示近视）的倒

11、数表示近视眼的程度，称为眼的程度，称为为为视度视度，单位为屈光度，单位为屈光度，医院和眼镜店把医院和眼镜店把1 1D称作称作100100度。度。第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 2 2、远视眼及矫正方法、远视眼及矫正方法 远视眼：远视眼：人眼在完全放松情况下，人眼在完全放松情况下，无限远物体成像于视网膜后；或人无限远物体成像于视网膜后；或人眼在完全放松情况下，眼后眼在完全放松情况下，眼后 有限远物体成像于视网膜上。有限远物体成像于视网膜上。 原因：原因：由于眼球过短，后焦点位由于眼球过短，后焦点位于视网膜之后所致。于视网膜之后所致。矫正方法：矫正方法：配戴配戴 的的凸透镜凸透镜。

12、 rlf 其它矫正方法：其它矫正方法：角膜激光手术。角膜激光手术。 FF远点远点 第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 四、人眼的分辨能力四、人眼的分辨能力 能区分两个最靠近点的能力，用极限分辨角能区分两个最靠近点的能力，用极限分辨角表示。表示。极限分辨角极限分辨角：恰能分辨的两个点对人眼的张角。：恰能分辨的两个点对人眼的张角。 影响眼睛分辨能力的因素：影响眼睛分辨能力的因素： 视觉细胞的尺寸；视觉细胞的尺寸； 瞳孔的衍射效应；瞳孔的衍射效应； 眼睛存在的各类像差；眼睛存在的各类像差； 照明光的光谱和亮度。照明光的光谱和亮度。 普通正常人眼：普通正常人眼：60 3 3、散光眼、散光眼

13、 散光眼：散光眼：由于水晶体两表面的不对称，使得由于水晶体两表面的不对称，使得细光束的两个主截面的光线不交于一点，即细光束的两个主截面的光线不交于一点，即两主截面的远点距离不相同，其视度差称为两主截面的远点距离不相同，其视度差称为散光度。可用圆柱面或散光度。可用圆柱面或双心柱面透镜双心柱面透镜矫正散矫正散光眼。光眼。 第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 测量工作中，为了读数，常常采用某种标志对目标进行对准测量工作中，为了读数，常常采用某种标志对目标进行对准或重合，这种对准或重合的过程，就称为或重合，这种对准或重合的过程，就称为瞄准瞄准。而由于受人眼分。而由于受人眼分辨率的限制，把两

14、根线完全重合是不可能的，偏离于完全重合的辨率的限制，把两根线完全重合是不可能的，偏离于完全重合的程度就称为程度就称为瞄准精度瞄准精度。瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，瞄准精度随所选取的瞄准标志而异，最高精度可达人眼分辨率的最高精度可达人眼分辨率的1/61/6到到1/101/10。瞄准精度和前面讲到的分辨率瞄准精度和前面讲到的分辨率不是一个概念！不是一个概念！06 二实线重合）（二直线端部对准0201 01 叉线对准单线）（双线对称夹单线015 五、人眼的对准精度五、人眼的对准精度 第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 立体视觉：立体视觉：对于物体位置的空间分布及对物体的体积感觉。对于

15、物体位置的空间分布及对物体的体积感觉。六、双目立体视觉六、双目立体视觉 双目视觉：双目视觉：两眼分别产生一个像，这两个像在视网膜两眼分别产生一个像，这两个像在视网膜上的分布只有满足几何上的某些条件时才可以产生单一视上的分布只有满足几何上的某些条件时才可以产生单一视觉，即两眼的视觉汇合到大脑成为一个像，产生立体视觉。觉，即两眼的视觉汇合到大脑成为一个像，产生立体视觉。这种印象出于这种印象出于心理心理和和生理生理。单目视觉：单目视觉： 单眼观察物体不能产生立体视觉。单眼观察物体不能产生立体视觉。 对物体远近的判断，是通过眼睛（水晶体曲率的变化）的调对物体远近的判断，是通过眼睛（水晶体曲率的变化）的

16、调节产生的。所以，判断很粗略，不超过节产生的。所以，判断很粗略，不超过5 5米。米。 对远且熟的物体，通过物体的张角来估计；对远且熟的物体，通过物体的张角来估计； 对非常熟的物体，通过细节来估计。（对非常熟的物体，通过细节来估计。（经验和想象经验和想象）第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 1a2aA 成像于双眼中心凹的同侧的对应点时成像于双眼中心凹的同侧的对应点时产生单像，否则产生双像。产生单像，否则产生双像。2o1o在中心凹注视21aaA在中心凹的外侧注视21bbB2b1bB在中心凹的内侧注视21ccC1dD2dC1c2c成单像在中心凹的同侧注视21ddD成双像第一节第一节 眼睛

17、及其光学系统眼睛及其光学系统 当双眼观察一物点时，两眼的视轴对准物点，视轴夹角称为当双眼观察一物点时，两眼的视轴对准物点，视轴夹角称为视差角视差角。物体远近不同，视差角不同，眼球转动的肌肉紧张程物体远近不同，视差角不同，眼球转动的肌肉紧张程度不同，利用这种感觉能容易辨别物体远近。度不同，利用这种感觉能容易辨别物体远近。Lb视觉基线长度，人眼均值62mm观察点到基线的距离AALb1a2aA2o1o2b1bBbABALBLBBLbAB立体视差体视锐度：体视锐度：人眼所能察觉到的最小立体视差，人眼所能察觉到的最小立体视差，大约为大约为10，经训练可达到，经训练可达到35。立体视觉半径：立体视觉半径：

18、存在立体视觉的范围存在立体视觉的范围mbL120020626501062. 0minmax 视差越大，感觉两物纵向深度大，反之纵向深度小视差越大，感觉两物纵向深度大，反之纵向深度小. .第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 Lb体视阈值：体视阈值：能分辨不同远近两点间的最小距离能分辨不同远近两点间的最小距离LLb2双目立体视觉误差时：当-1046. 7206265062. 001242min2minmLLbLL 0ttKbb则，二物镜中心距双筒望远镜：放大率为倍扩大到仪KLKKbbLttmax0倍缩小到仪KLKKbLbLLtt/110022应用实例：讨论：讨论：1. 1. 增大立体视

19、觉半径，要求基线增大立体视觉半径，要求基线b b长，体视锐度值小；长，体视锐度值小；2. 2. 减小体视阈值，要求基线减小体视阈值，要求基线b b长，体视锐度值小，立长，体视锐度值小，立体视觉半径大。体视觉半径大。minmaxbL第一节第一节 眼睛及其光学系统眼睛及其光学系统 bLL2即：第二节第二节 放大镜放大镜第二节第二节 放大镜放大镜 人眼感觉物体的大小取决于其像在视网膜上的大小，当光学系人眼感觉物体的大小取决于其像在视网膜上的大小，当光学系统（如人眼）的焦距一定时，也取决于物对人眼的张角的大小。统（如人眼）的焦距一定时，也取决于物对人眼的张角的大小。一、视觉放大率一、视觉放大率 目视光

20、学仪器，可以扩大人眼的视觉能力；使目视光学仪器，可以扩大人眼的视觉能力；使其像对人眼的其像对人眼的张角大于人眼直接观察时物对眼的张角。张角大于人眼直接观察时物对眼的张角。 物对人眼的张角取决于距离，二者之间成反比。但物体要物对人眼的张角取决于距离，二者之间成反比。但物体要位于近点以外，才能被看清。位于近点以外，才能被看清。 视觉放大率视觉放大率：用仪器观察物体时，视网膜上的像高用仪器观察物体时，视网膜上的像高yi与人与人眼直接观察时的视网膜上的像高眼直接观察时的视网膜上的像高ye之比。之比。ieytgytg iyleyytgpl ytgD由上图可知：由上图可知：而以眼睛直接观察时：而以眼睛直接

21、观察时：yDf l DyP lP l f 所以，视觉放大率为：所以，视觉放大率为：D为明视距离，为明视距离，250mm。ieytgytg 第二节第二节 放大镜放大镜) (fflfxyyy DflDy PlPlf （1）放大镜的视觉放大率与使用条件有关，）放大镜的视觉放大率与使用条件有关，不是恒定的不是恒定的。0250Dff 25011lPfff （2）正常视力下，人眼一般把物像调焦到明视距离：）正常视力下，人眼一般把物像调焦到明视距离： P l =D2501f 一般看书时：一般看书时： P0讨论：讨论： )(250)(fplfl 由由可知：可知：一般情况下，一般情况下， ， 250f1)()(

22、 plfl即即 略大于或略小于略大于或略小于 。若物体为前面系统若物体为前面系统(如物镜如物镜)所成像，则放大镜特称为所成像，则放大镜特称为目镜目镜。由此算出的视觉放大率作为放大镜和目镜的光学常数，标在镜筒上。由此算出的视觉放大率作为放大镜和目镜的光学常数，标在镜筒上。在实际使用中，物大致位于物方焦点处：在实际使用中，物大致位于物方焦点处：l =第二节第二节 放大镜放大镜 放大镜与人眼构成目视光学系统，人眼的眼瞳可以作为放大镜与人眼构成目视光学系统，人眼的眼瞳可以作为孔孔径光阑径光阑，也是出瞳；，也是出瞳； 放大镜的镜框作为放大镜的镜框作为视场光阑视场光阑，既是出射窗又是入射窗。放，既是出射窗

23、又是入射窗。放大镜本身又是渐晕光阑。大镜本身又是渐晕光阑。 所以，物平面的成像范围（视场）由镜框、眼瞳及它们所以，物平面的成像范围（视场）由镜框、眼瞳及它们之间的距离之间的距离P决定。决定。二、光束限制与视场二、光束限制与视场第二节第二节 放大镜放大镜321050022hyf tgPPahtgB11线视场内无渐晕PhtgB渐晕线视场内 502PahtgB成像边缘点33 由于放大镜是用于近距离观察由于放大镜是用于近距离观察小物体，故放大镜视场常用物方线小物体，故放大镜视场常用物方线视场视场2 2y表示。当物放于前焦面时，表示。当物放于前焦面时，像平面在无限远，则线视场（以像平面在无限远，则线视场

24、（以5050渐晕为界）渐晕为界）虚像平面1B2B3B第二节第二节 放大镜放大镜Phy05002线视场线视场放大镜半径放大镜半径放大倍率放大倍率人眼与放大人眼与放大镜的距离镜的距离hy 2视场越大放大镜的直径越大，线12y场越大放大镜的倍率小，线视Py12近，线视场越大人眼与放大镜的距离越常用的放大镜，倍 率 在 2 . 5 25。单透镜作放大镜，通常不超过3。放大镜像差情况：放大镜像差情况：存在全部七类像差，倍率不宜过大。存在全部七类像差，倍率不宜过大。 第二节第二节 放大镜放大镜第三节第三节 显微镜系统显微镜系统 显微镜是由显微镜是由物镜物镜、目镜目镜和和照明系统照明系统三部分组成。三部分组

25、成。oF1O2OeFeFoFABAB在物镜前焦面稍前处AB（放大倒立的实像）物镜BA在目镜前焦面稍后处BAA B 处位于无穷远或明视距离（放大虚像）目镜BA 眼睛通过目镜看到的不是物体本身，而是物体被物镜所眼睛通过目镜看到的不是物体本身，而是物体被物镜所成的像。因此，目镜的成像光束是被物镜限制了的。成的像。因此，目镜的成像光束是被物镜限制了的。一、显微镜的组成：一、显微镜的组成： 物体经显微镜的物镜放大成像后，其像再经物体经显微镜的物镜放大成像后，其像再经目镜放大以供人眼观察目镜放大以供人眼观察. .第三节第三节 显微镜系统显微镜系统250mmf 故可以把显微镜看作是组合放大镜。故可以把显微镜

26、看作是组合放大镜。机械筒长：机械筒长：物镜支承面到目镜支承面之间的距离；物镜支承面到目镜支承面之间的距离； 我国规定我国规定160mm。光学筒长：光学筒长：物镜像方焦点到目镜物方焦点之间的距离物镜像方焦点到目镜物方焦点之间的距离。二、显微镜的视觉放大率：二、显微镜的视觉放大率：显微镜的组合焦距为：显微镜的组合焦距为： f f0 fe / ，则，则第三节第三节 显微镜系统显微镜系统0effLtgtg由视角放大率eeeffff25025000工作距离：工作距离：物镜第一面与物面之间的距离；物镜第一面与物面之间的距离；镜目距镜目距(出瞳距出瞳距)：目镜最后一面与出瞳之间的距离；目镜最后一面与出瞳之间

27、的距离；(6 mm )物像共轭距：物像共轭距：物镜的物面与物镜的像面之间的距离。物镜的物面与物镜的像面之间的距离。(195 mm )物镜像面与目镜固定面距离：物镜像面与目镜固定面距离：10 mm。 目镜的视度调节范围：目镜的视度调节范围：5屈光度。屈光度。物镜倍率：物镜倍率：2.5100倍；倍；目镜倍率：目镜倍率：520倍。倍。第三节第三节 显微镜系统显微镜系统显微镜与放大镜的比较显微镜与放大镜的比较（1 1）具有更大的放大率，二次放大；）具有更大的放大率，二次放大；（2 2）人眼离物面较远，使用方便；）人眼离物面较远，使用方便；（3 3）物镜和目镜可调换，从而得到多种放大率；）物镜和目镜可调

28、换，从而得到多种放大率；（4 4）具有中间实像面，可放置分划板，用于测量（构成测微目镜）具有中间实像面，可放置分划板，用于测量（构成测微目镜）第三节第三节 显微镜系统显微镜系统（1 1）孔径光阑：）孔径光阑： 对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑；对于单组低倍物镜，物镜框就是孔径光阑； 对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑；或专门对于多组复杂物镜，最后一组的镜框作为孔径光阑；或专门设置孔径光阑（在物镜像方焦平面上）。设置孔径光阑（在物镜像方焦平面上）。 * * 观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像观察者的眼瞳一般应与出瞳（孔径光阑经目镜的像) )重合。重合。出瞳的直径一般小于眼

29、瞳的直径，只在低倍时才大于眼瞳直径。出瞳的直径一般小于眼瞳的直径，只在低倍时才大于眼瞳直径。三、显微镜的光束限制：三、显微镜的光束限制：第三节第三节 显微镜系统显微镜系统2sinsinsineooofDnftgunfunfunyyun2sinfDun250mmf v出瞳的直径出瞳的直径D ：由物镜的正弦条件：由物镜的正弦条件：nysinu = nysinu ，得：，得：mmNAmmunD500sin500NA = nsinu称作称作数值孔径数值孔径，是，是一个重要参数，与物镜的倍率一一个重要参数，与物镜的倍率一起，标在物镜的镜框上起，标在物镜的镜框上（2 2）视场光阑与线视场）视场光阑与线视场

30、 视场光阑一般专设在目镜的视场光阑一般专设在目镜的物方焦平面物方焦平面上。上。 入射窗与物平面重合，可以观察到清晰的界限和照度均匀的入射窗与物平面重合，可以观察到清晰的界限和照度均匀的视场。视场。 5002mmtgy 所以，对选定目镜后所以，对选定目镜后(视场角一定视场角一定)，视觉放大率越大，物，视觉放大率越大，物空间的线视场越小。空间的线视场越小。线视场可表示为：线视场可表示为：第三节第三节 显微镜系统显微镜系统四、显微镜的分辨率和有效放大率四、显微镜的分辨率和有效放大率 影响显微镜分辨率的因素影响显微镜分辨率的因素 1 1、显微镜的分辨率、显微镜的分辨率 入瞳入瞳衍射效应衍射效应 各类各

31、类剩余像差剩余像差 物面物面照明方式照明方式 其它制造缺陷其它制造缺陷 均与物镜部分相关联，均与物镜部分相关联， 衍射效应是主要因素。衍射效应是主要因素。 两物点成像光线经入瞳后，在像面上形成形成衍射花样。两物点成像光线经入瞳后，在像面上形成形成衍射花样。 根据瑞利判据，物镜恰能分辨的两物点对入瞳中心的张角为：根据瑞利判据，物镜恰能分辨的两物点对入瞳中心的张角为： a222. 1 UUtgaLL sin61. 0161. 0222. 1 再利用再利用正弦条件：正弦条件： sinsinUnUn .61. 0AN 道威判断：道威判断： .5 . 0AN ABAB 入瞳入瞳 a2 L U 目视衍射分

32、辨率，理想分辨率目视衍射分辨率，理想分辨率第三节第三节 显微镜系统显微镜系统2 2、显微镜的、显微镜的有效放大率有效放大率 v 显微镜的分辨率取决于数值孔径显微镜的分辨率取决于数值孔径NA，与目镜无关，与目镜无关。v 目镜只是把物镜的像放大，放大倍率再高也不能把物镜不能分目镜只是把物镜的像放大，放大倍率再高也不能把物镜不能分辨的物体细节看清。辨的物体细节看清。5001000NANA有效放大率：有效放大率：为充分利用物镜的分辨率，使被物镜分辨出的为充分利用物镜的分辨率，使被物镜分辨出的细节同时能被眼睛看清，满足这一条件的放大率。细节同时能被眼睛看清，满足这一条件的放大率。若眼睛的分辨角距离为：若

33、眼睛的分辨角距离为：24，照明波长为，照明波长为0.555m，可得：，可得：.61. 0AN 第三节第三节 显微镜系统显微镜系统3 3、几个重要公式的应用意义、几个重要公式的应用意义 UnANsin. (1).(1).显微物镜的重要性能参数；显微物镜的重要性能参数； (2).(2).直接或间接地影响着系统的直接或间接地影响着系统的 分辨率、放大率、景深、分辨率、放大率、景深、 出瞳直径、像面亮度和出瞳直径、像面亮度和 像差校正的难易程度等像差校正的难易程度等 .5 . 0AN 增大增大NA和减小和减小是提高显微镜分辨率的主要途径。是提高显微镜分辨率的主要途径。 如：如：油浸物镜油浸物镜和和电子

34、显微镜电子显微镜。 .1000.500ANAN (1).(1).显微镜必须要有足够高的放大率，以保证被物镜分辨开来显微镜必须要有足够高的放大率，以保证被物镜分辨开来 的细节也能被人眼所分辨；的细节也能被人眼所分辨； (2).(2).显微镜的放大率不宜过高，以免造成过分放大，反而导致显微镜的放大率不宜过高，以免造成过分放大，反而导致 人眼观察的不便。人眼观察的不便。 第三节第三节 显微镜系统显微镜系统v 当把显微镜调焦到某一平面时，在对准平面前后的一定范围当把显微镜调焦到某一平面时，在对准平面前后的一定范围内也能成清晰的像，这一范围称为显微镜的内也能成清晰的像，这一范围称为显微镜的景深景深。12

35、502nNA 故，显微镜的放大率越高、故，显微镜的放大率越高、NA越大，景深越小。越大，景深越小。 景深大小决定显微镜的调焦误差，景深越大，调焦误差越大。景深大小决定显微镜的调焦误差，景深越大，调焦误差越大。一般显微镜的景深最大不超过一般显微镜的景深最大不超过0.5mm0.5mm。五、显微镜的景深五、显微镜的景深 第三节第三节 显微镜系统显微镜系统影响显微镜景深的诸多因素影响显微镜景深的诸多因素 (1).(1).几何景深：几何景深：由于人眼分辨本领的限制，允许物点成像为由于人眼分辨本领的限制，允许物点成像为 一定大小的弥散斑；一定大小的弥散斑； (2).(2).调节景深：调节景深：由于人眼具有

36、调节能力，使得一定纵深范围由于人眼具有调节能力，使得一定纵深范围 内的物体可以被清晰观察；内的物体可以被清晰观察； (3).(3).物理景深：物理景深：因衍射效应而形成的景深因衍射效应而形成的景深* * 几何几何 调节调节 物理物理 景深景深 景深景深 景深景深 )(.).(25 .62.7122mmANlANp 结论：结论： .ANpl 例：例：mmlmANp10050055. 065. 0. ， mmm 65.00025.044.0 物物理理调调节节几几何何，求得：求得： m 1 .1 要求物面非常平整！要求物面非常平整！ 第三节第三节 显微镜系统显微镜系统六、显微镜的照明方法：六、显微镜

37、的照明方法：常用的照明方法常用的照明方法：透射光亮视场照明；反射光亮视场照明；透射光亮视场照明；反射光亮视场照明；透射光暗视场照明；透射光暗视场照明；反射光暗视场照明。反射光暗视场照明。其中，第一种照明方法应用较多，照明方式分为两种：其中，第一种照明方法应用较多，照明方式分为两种：临界照明临界照明和和柯勒照明。柯勒照明。临界照明柯勒照明显微镜对照明的要求：显微镜对照明的要求：足够的亮度；照明均匀；有一定的孔径角，且与物镜相配足够的亮度；照明均匀；有一定的孔径角，且与物镜相配合；有一定大小的照明范围（视场）。合；有一定大小的照明范围（视场）。第三节第三节 显微镜系统显微镜系统1、显微物镜的技术参

38、数、显微物镜的技术参数 七、显微物镜七、显微物镜 2、垂轴放大率与数值孔径的的匹配关系、垂轴放大率与数值孔径的的匹配关系 工作距工作距 越高，工作距越短，如越高，工作距越短，如100倍物镜：倍物镜：0.2mm。镜头上的参数标识：镜头上的参数标识： 倍率倍率/N.A.机械筒长机械筒长/盖玻片厚度盖玻片厚度如：如：40/0.65 10/0.25 160/0.17 /0垂轴放大率垂轴放大率 影响着系统的视觉放大率和物镜的焦距影响着系统的视觉放大率和物镜的焦距 机械筒长、盖玻片厚度机械筒长、盖玻片厚度 提示使用条件。提示使用条件。一般而言，一般而言， of .AN 2.5 4 10 25 40 60

39、100 0.07 0.10 0.25 0.40 0.65 0.85 1.25 .AN大致匹配关系大致匹配关系 （油浸）（油浸）数值孔径数值孔径N.A. 最重要的技术性能参数；最重要的技术性能参数； 第三节第三节 显微镜系统显微镜系统3 3、显微物镜的像差、显微物镜的像差 物镜属于物镜属于小视场、大孔径小视场、大孔径系统。系统。主要像差为：主要像差为：球差球差、彗差彗差和和位置色差位置色差。在显微照相、测量和显微投影用途中，还需校正在显微照相、测量和显微投影用途中，还需校正像面弯曲像面弯曲。 校正像差的主要方法：校正像差的主要方法： 使用多组双胶合透镜：使用多组双胶合透镜：校正校正球差球差和和位

40、置色差位置色差 使用齐明透镜，使用齐明透镜，降低系统像差负担；降低系统像差负担； 恰当安排孔径光阑位置，恰当安排孔径光阑位置，尽可能扩大满足尽可能扩大满足正弦条件正弦条件的区域。的区域。 使用厚透镜：使用厚透镜：校正像面弯曲。校正像面弯曲。 可使用单色光照明：可使用单色光照明：避免引入色差。避免引入色差。 第三节第三节 显微镜系统显微镜系统第四节第四节 望远镜系统望远镜系统一、一般特性：一、一般特性： 伽利略望远镜伽利略望远镜 伽利略望远镜的缺点：伽利略望远镜的缺点：(1).(1).出瞳不可能与眼瞳重合，观察效果差；出瞳不可能与眼瞳重合，观察效果差；(2).(2).无实像面，不能设置分划板用于

41、测量；无实像面，不能设置分划板用于测量；(3).(3).视场较小，倍率低。视场较小，倍率低。望远镜的组成：由望远镜的组成：由物镜物镜和和目镜目镜组成。组成。物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隙物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合，光学间隙=0。第四节第四节 望远镜系统望远镜系统01efDfD 望远系统的视觉放大率为：所以，视觉放大率仅取决于结构参数。所以，视觉放大率仅取决于结构参数。目镜焦距大于目镜焦距大于6 6mm，手持望远镜一般不超过，手持望远镜一般不超过1010倍。倍。开普勒望远镜开普勒望远镜望远镜的放大率可表示为物镜焦距与目镜焦距之比；入望远镜的放大率可表示为物镜焦距与目镜焦距之

42、比；入瞳直径与出瞳直径之比，放大率的正负表示像的正倒。瞳直径与出瞳直径之比，放大率的正负表示像的正倒。第四节第四节 望远镜系统望远镜系统，与需要矛盾一定时，当望远镜长度）（LffffLoee02，视觉放大）（eoff1矛盾一定时，当）（3矛盾小。越大，出射光瞳直径越入射光瞳直径一定时，）（4 望远镜的诸光学参数之间存在相互矛盾的抑制关系。总的来说，要增大望远镜的倍率，或者导致长度的增大，或者减小了视场，或者降低了光强度。所以，望远镜的倍率要考虑各个因素，综合确定。首先要联系物镜的分辨率。01efDfD 第四节第四节 望远镜系统望远镜系统二、分辨率及工作放大率：二、分辨率及工作放大率：v 望远系

43、统的分辨率用望远系统的分辨率用极限分辨角极限分辨角表示。表示。 对于对于=0.555=0.555m m的光线，由的光线，由瑞利判据、道威判据瑞利判据、道威判据得到的极得到的极限分辨角分别为：限分辨角分别为：v 由于人眼的视觉分辨率为由于人眼的视觉分辨率为60，在增大物镜口径以提高望，在增大物镜口径以提高望远系统分辨率的同时，必须增大望远系统的视觉放大率，远系统分辨率的同时，必须增大望远系统的视觉放大率，才能符合人眼分辨率的要求。才能符合人眼分辨率的要求。0140afD0120afD所以，入射光瞳直径越大，极限分辨率越高。所以，入射光瞳直径越大，极限分辨率越高。注意：在望远系统分辨率一定时，过高

44、的增大视觉放大率，注意：在望远系统分辨率一定时，过高的增大视觉放大率，也不会看到更多细节。也不会看到更多细节。一般天文望远镜的口径都很大一般天文望远镜的口径都很大. .第四节第四节 望远镜系统望远镜系统倍。大率的常工作放大率为正常放为了防止眼睛疲劳，通32为眼睛的瞄准精度望远镜的瞄准误差aaa 略小观察用望远镜略大瞄准用望远镜望远镜的倍率选择原则视觉放大率和分辨率的关系为：视觉放大率和分辨率的关系为：6060 /2.3D常取：常取：D此放大率是满足分辨率要求的最小视觉放大率，叫此放大率是满足分辨率要求的最小视觉放大率，叫有效放大率有效放大率（正常放大率）（正常放大率）第四节第四节 望远镜系统望

45、远镜系统D以以mm为单位为单位2、视场光阑、视场光阑 视场光阑视场光阑设置在物镜实像面上，即分划板所在平面。设置在物镜实像面上，即分划板所在平面。 1、孔径光阑、孔径光阑 孔径光阑：孔径光阑：一般为物镜边框；或物镜光组中某一透镜边框。一般为物镜边框；或物镜光组中某一透镜边框。 入瞳：入瞳：为物镜边框或在附近。为物镜边框或在附近。出瞳：出瞳：位于目镜位于目镜 Fe外。外。若若入瞳入瞳为物镜边框，则易求出：为物镜边框，则易求出： DD 入瞳直径入瞳直径 出瞳直径出瞳直径 2视场大小视场大小 ： 视场光阑半径视场光阑半径 ofy tg3、渐晕光阑、渐晕光阑 渐晕光阑渐晕光阑为目镜边框。若目镜孔径较大

46、，则能实现无渐晕。为目镜边框。若目镜孔径较大，则能实现无渐晕。三、望远镜的光束限制三、望远镜的光束限制 第四节第四节 望远镜系统望远镜系统 物镜后焦面可放置分划板，其框为视场光阑。物镜后焦面可放置分划板，其框为视场光阑。望远镜的视场：望远镜的视场：（1）对于开普勒望远系统：）对于开普勒望远系统：物镜框是孔径光阑，也是入瞳；物镜框是孔径光阑，也是入瞳；出瞳在目镜以外，与人眼重合；出瞳在目镜以外，与人眼重合；目镜框是渐晕光阑，一般要求有目镜框是渐晕光阑，一般要求有50的渐晕。的渐晕。第四节第四节 望远镜系统望远镜系统物方视场角物方视场角满足：满足：式中：式中：y为视场光阑的半径。为视场光阑的半径。

47、开普勒望远镜的视场一般不超过开普勒望远镜的视场一般不超过1515，观察时，眼瞳必须位于出，观察时，眼瞳必须位于出瞳处，才能观察到全视场。瞳处，才能观察到全视场。0/tgyf（2）对于伽利略望远系统：）对于伽利略望远系统：v 一般以人眼的瞳孔作为孔径光一般以人眼的瞳孔作为孔径光阑，又是出瞳；物镜框为视场阑，又是出瞳；物镜框为视场光阑，又是入射窗。光阑，又是入射窗。v 由于视场光阑与物面不重和，由于视场光阑与物面不重和，因此，对大视场有渐晕现象。因此，对大视场有渐晕现象。v 当视场有当视场有50%渐晕时，其视场渐晕时，其视场角为：角为：22 ()zDtgLl第四节第四节 望远镜系统望远镜系统式中：

48、式中：L为机械筒长；为机械筒长；lz2为眼睛到目镜的距离。为眼睛到目镜的距离。伽利略望远镜的视觉放大率越高，视场越小伽利略望远镜的视觉放大率越高，视场越小。故伽利略望远镜的视觉放大率一般不大，仅用于剧场、体育场使故伽利略望远镜的视觉放大率一般不大，仅用于剧场、体育场使用。用。注意：开普勒望远镜成倒像，需加转像装置，如转像棱镜；注意：开普勒望远镜成倒像，需加转像装置，如转像棱镜； 伽利略望远镜成正像，但无法安装分划板，应用较少。伽利略望远镜成正像，但无法安装分划板，应用较少。22 ()zDtgLl第四节第四节 望远镜系统望远镜系统四、望远物镜及转像系统四、望远物镜及转像系统 1 1、望远物镜的技

49、术参数、望远物镜的技术参数 焦距焦距 参与决定系统的视觉放大率和视场；参与决定系统的视觉放大率和视场； 通光孔径通光孔径 影响分辨率和工作放大率；影响分辨率和工作放大率； ofD 相对孔径相对孔径 影响像面亮度和像差大小；影响像面亮度和像差大小； 3 3、望远物镜的像差、望远物镜的像差 物镜属于物镜属于小视场、大孔径小视场、大孔径系统系统。主要像差为：主要像差为：球差球差、彗差彗差和和位置色差位置色差。校正像差的主要方法：校正像差的主要方法：使用双胶合、双分离和三分离透镜组。使用双胶合、双分离和三分离透镜组。 2 2、望远物镜的种类：、望远物镜的种类：(1).(1).折射式；折射式；(2).(

50、2).折反式；折反式；(3).(3).反射式反射式 第四节第四节 望远镜系统望远镜系统4 4、望远镜的转像系统、望远镜的转像系统 物物 镜镜 目目 镜镜 透镜转像系统透镜转像系统 第四节第四节 望远镜系统望远镜系统第五节第五节 目镜目镜（1）目镜的视场：）目镜的视场：一般在一般在4050，广角目镜达，广角目镜达6080。（2）镜目距：）镜目距：出瞳到目镜后表面的距离。出瞳到目镜后表面的距离。 相对镜目距：相对镜目距：镜目距与目镜焦距之比。镜目距与目镜焦距之比。（3）工作距）工作距lF：目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离。目镜第一面的顶点到其物方焦平面的距离。 一般工作距应大于视度调节的深度（

51、适应近视、远视要一般工作距应大于视度调节的深度（适应近视、远视要求），求），视度调节范围视度调节范围在在5D。一、目镜的作用：一、目镜的作用： 目镜的作用类似于放大镜，把物镜所成的像放大在人目镜的作用类似于放大镜，把物镜所成的像放大在人眼的远点或明视距离上以供人眼观察。眼的远点或明视距离上以供人眼观察。二、目镜的主要光学参数：二、目镜的主要光学参数： 目镜是一种目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑在外小孔径、大视场、短焦距、光阑在外的光学的光学系统。其轴上像差不大，结构复杂时，较易校正像差。系统。其轴上像差不大，结构复杂时，较易校正像差。第五节第五节 目镜目镜251000efxmm（4）视度

52、调节移动量）视度调节移动量：视度调节范围视度调节范围 允许目镜相对于分划板的移动量。允许目镜相对于分划板的移动量。fe e 正常眼正常眼 fe e 近视眼近视眼 fe e 远视眼远视眼 三、目镜的像差三、目镜的像差 目镜属于目镜属于较小孔径较小孔径、较大视场较大视场系统。系统。主要像差为：主要像差为：彗差彗差、畸变畸变、像散像散、场曲场曲和和倍率色差倍率色差。 因目镜通常倍率较小，实像和分划板刻度产生同等像差，因目镜通常倍率较小，实像和分划板刻度产生同等像差，故对校正像差的要求通常不高。故对校正像差的要求通常不高。第五节第五节 目镜目镜三、常用的目镜：三、常用的目镜：常用的目镜有：常用的目镜有

53、：惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、惠更斯目镜、冉斯登目镜、凯涅尔目镜、 对称式目镜、无畸变目镜、广角目镜对称式目镜、无畸变目镜、广角目镜等。等。惠更斯目镜惠更斯目镜场镜的作用：场镜的作用：1)1)、压低光线，减小目镜通、压低光线，减小目镜通光孔径，降低像差负担；光孔径，降低像差负担； 2)2)、调整出瞳的位置和大小，、调整出瞳的位置和大小，获得较好观测效果；获得较好观测效果；3)3)、与接目镜一起构成双分离光组，有利于减小像差。、与接目镜一起构成双分离光组，有利于减小像差。 第五节第五节 目镜目镜第六节第六节 摄影系统与投影系统摄影系统与投影系统 一、摄影系统：一、摄影系统：1. .摄影系统的组成：摄影系统的组成： 摄影系统是由摄影系统是由摄影物镜摄影物镜和和感光元件感光元件组成。组成。 感光元件感光元件包括：感光胶片、包括：感光胶片、CCD传感器、电子光学变像管、传感器、电子光学变像管、 电视摄像管等。电视摄像管等。 常见的摄影系统常见的摄影系统有：照相机、摄影机、显微照相系统、制版有：照相机、摄影机、显微照相系统、制版光学系统、航空摄影系统、水下