典型光学系统演示文稿

1、典型光学系统演示文稿第一页，共五十九页。优选典型光学系统第二页，共五十九页。调节肌5、虹彩膜：脉络膜前方的 彩帘（水晶体前），眼 球前的颜色。8、后室：水晶体后、由视网膜包围的空间，玻璃液n =1.336。4、脉络膜：巩膜内侧、视网膜外侧包围的黑色膜层，吸 收从视网膜透过的光线，把后室变为暗室。6、瞳孔(Pupil)：虹膜中央圆孔，孔径光阑，限制进入人眼光通量，D 28mm.7、水晶体(Crystalline lens) ：双凸透镜 调节肌作用改变水晶体曲率(焦距)，不同距离物均成像于视网膜。 自外层至内层的折射率 n 逐渐增大（1.371.41）校正像差第三页，共五十九页。(3)盲斑（点）：

2、视神经的出口，无感光细胞，视网膜的像被 传输至大脑形成视觉。辐射接收器杆状细胞：对光刺激极敏感， 感光（明暗视觉）.锥状细胞：感色（色视觉）9、视网膜(Retina)：后室内壁、连接脉络膜的一薄膜，由神经 细胞和神经纤维构成。 感光和成像的位置。调节肌黄斑(Macula)：视网膜中部、黄色椭圆形区域。 中心凹：黄斑点中心D 0.25mm区域，密集感光细胞， 视觉最灵敏。第四页，共五十九页。二、眼睛共轴光学系统2、视轴：黄斑中心与眼睛光学系统像方节点的连线。 眼球转动，使视轴对准观察物体并成像于黄斑上，视觉最清晰。1、成像过程： 折射球面：外界光线经角膜折射 孔径光阑：瞳孔自动调节直径控制入射光

3、能 变焦系统：水晶体自动调节，保证成像于视网膜上 成像面：视网膜3、 视场(角度)水平视场约达160垂直视场约达130最清晰的视场范围：视轴周围68第五页，共五十九页。3、简化眼模型角膜顶点视网膜眼睛像方焦点与视网膜重合第六页，共五十九页。4、物体经眼睛成像于视网膜 视角 ： 人眼对物体大小的感觉，取决于像在视网膜上的大小； 或，视网膜上的像对眼睛光心张角（视角）的大小。 视角取决于物的大小和物距，但是物距必须在近点之外。视角大小超过人眼极限分辨角的物体细节，才可被分辨。 眼睛的光心O0：眼睛节点、主点近似看做重合的位置。 （进一步简化）第七页，共五十九页。三、眼睛的调节及校正 1、调节：眼睛

4、成像系统对任意距离物体成像时， 通过改变水晶体曲率达到自动调焦的过程。 能清晰调焦的极限距离：远点(far point)距离 lr 近点(near point)距离 lp远点lr(调节肌完全放松)近点lp(调节肌最大收缩，曲率半径最小)幼年-7-8cm青中年-14 -40cm （ 明视距离-25cm）老年+200+40cm约-200cm第八页，共五十九页。 远点发散度（会聚度）： 近点发散度（会聚度）： 眼睛的调节能力：眼睛的视度 眼睛的视度(diopter)： 通常所说的眼镜度数对应视度数值100。第九页，共五十九页。2、非正常眼睛及其矫正1）近视眼：无穷远物点成像于视网膜之前，远点为有限远

5、。加正透镜将远点校正到无穷远2）远视眼：无穷远物点成像于视网膜之后； 近点变远，非明视距离。加负透镜将远点校正到无穷远50岁之后， 老花眼！Myopia/NearsightednessHyperopia/Farsightedness第十页，共五十九页。例：某60岁老人，裸眼看到的近点距离为-200cm，远点距离+200mm，估算老人佩戴的远视眼镜的视度？ 远视眼镜的视度： 眼睛的调节能力：第十一页，共五十九页。例：已知远视眼的近点lp=-400mm，需加校正透镜的光焦度为多大，才能看清眼前250mm处的物体。第十二页，共五十九页。手术治疗（4）白内障：水晶体变为浑浊而不透明。（3）散光眼(As

6、tigmatism)： 原因：角膜、或水晶体（两表面）不对称，是非球面造成. 此时，眼轴上的物点对应有两条像线，眼睛在两个 对称主截面上的焦距不同，即远点距离不同。像散 导致不同方向的线条不能同时看清。视度眼睛的散光度：圆柱面透镜可校正散光第十三页，共五十九页。四、眼睛的适应能力 适应：眼睛对周围空间光亮情况的自动适应程度。明适应：从暗处到亮处 瞳孔自动缩小暗适应：从亮处到暗处 瞳孔自动增大五、眼睛的分辨率 眼睛的分辨能力：人眼能分开最靠近两个相邻点的距离. 眼睛的极限分辨角 ：刚能分辨开的两点对人眼的张角，即人眼最小的视角。 视角：物体对人眼的张角。1、概念第十四页，共五十九页。补充：根据瑞

7、利判据计算理想光学系统分辨率（波动性）2、人眼的分辨能力 极限分辨角：白天的瞳孔直径D = 2mm 对应于视网膜上极限分辨距离：0.006mm 约为两个视神经细胞直径，超过该距离的两像点可被分辨. 通常认为，白天人眼的极限分辨角： 照明条件变差，瞳孔直径增大，眼睛系统的像差增大， 分辨能力下降。第十五页，共五十九页。六、眼睛的对准精度 对准误差（人眼的瞄准精度） 偏离置中或偏离重合的线距离或角距离。 对准：垂直于视轴方向上的重合或置中过程。 双线端部对准单线误差10叉线对准单线误差10两实线对准误差60单线置中误差10 20第十六页，共五十九页。七、眼睛的景深 2、远景、近景平面上的物点视网膜

8、上的像为弥散斑对准近景远景眼瞳Dp1、调焦（对准）平面上的物点视网膜上的点像若弥散斑可看作一像点，则要求其对人眼张角小于极限分辨角。第十七页，共五十九页。若设对准平面到人眼的距离为P，人眼的极限分辨角为，眼瞳直径为Dp，则远、近景深分别为：若眼睛调节在无限远，P，则远、近景深距离为：第十八页，共五十九页。四、双目立体视觉 眼睛除能感受到物体的大小、形状、亮暗及表面颜色外，还能产生远近感觉及分辨不同物体在空间的相对位置，这种对物体远近的估计称空间深度感觉。 立体视觉-对物体位置的空间分布及对物体的体积感觉。1、双眼视觉 用双眼观察物体时，物在两眼中各自成像。然后，两眼的视觉汇合到大脑中产生单一的

9、印象。 形成单一像须满足一定条件，即：物在两眼视网膜的像必须位于视网膜的对应点时(位于两中心窝的同一侧)。第十九页，共五十九页。2、双目的立体视觉 双目的立体视觉分辨两个物体的相对位置，并可以估计空间物体的相对距离。这是双眼视觉的重要特性。 两眼节点的连线称为视觉基线(眼基距)，用b表示，注视点A对眼睛两节点的张角为立体视差角 1。L不同距离的物体有不同的立体视差角 ，两者之差，称立体视差。第二十页，共五十九页。体视锐度视差越小，两物体的纵向相对距离越小。当视差小到某一值min时，眼睛正好能感到两物体的距离分开，这一min称为体视锐度(体视灵敏度)。通常人眼：min=3060, 经过训练可达1

10、0, 甚至3。一般情况下，定为10。 显然：无限远物体的视差角为0, 若有限距离的另一点的视差角为10, 即该点与无限远物点的视差为 =10，为人眼的体视锐度，此时，人眼对该有限远物点有深度感觉。即正好能分辨有限远和无限远。例：设人眼基线为65mm, 则此有限远距离Lm, 称为体视半径：位于体视半径以外的物体，眼睛无法分辨其远近。第二十一页，共五十九页。立体视觉限(阀)-双眼所能分辨的空间两点的最短空间深度距离L。 观察物体时，立体视觉限很大，即对于远处物体，要有很大的距离差才能分辨出其远近。 显然：增大b和减小min，能增大体视半径Lm，减小立体视觉限L，从而提高体视觉效果。如双筒棱镜望远镜

11、和某些军用指挥仪就是为此目的设计的。可见：物体越远, 立体视觉误差越大: 8m100m, 0.7mm1m, 0.05mm250mm。第二十二页，共五十九页。设望远镜放大率为，仪器基线(两物镜中心距)为bi，则通过仪器观察时，体视锐度：基线长度bi=Kbe，则：上两式表明：体视半径比肉眼直接观察时扩大了倍，而立体视觉阈缩小了倍，从而大大提高了体视效果。第二十三页，共五十九页。小 结1、眼睛的结构：角膜、瞳孔、水晶体、视网膜2、简化眼模型： 眼轴、成像界面、基点基面的位置、孔径光阑、像平面3、眼睛的调节水晶体 远、近点，调节能力，视度，近视、远视、散光眼及校正4、眼睛的适应瞳孔：明适应、暗适应5、

12、眼睛的分辨率瞳孔 视角、极限分辨角、视网膜上最小的分辨距离6、眼睛的对准精度：对准（误差），重合、置中7、眼睛的景深第二十四页，共五十九页。补充：目视光学仪器眼睛的光心O0：眼睛节点,主点近似看做重合的位置一、裸眼直接成像：二、眼睛+目视光学仪器： 视角 ： 视角 ： 目视光学系统的视觉放大率： 第二十五页，共五十九页。2、眼睛+目视光学仪器：视角可被目视光学仪器放大。 1、裸眼直接成像：视角取决于物的大小和物距(近点之外)， 视角大小超过人眼极限分辨角的物体细节才可被分辨。 不同的目视光学仪器，通常选择的物距为：1）放大镜、显微镜：观察物位于明视距离附近；2）望远镜：观察物位于远处或无穷远。

13、观察物体所需分辨率目视光学仪器的放大率=眼睛分辨率第二十六页，共五十九页。焦距以内成放大虚像一、放大镜的成像原理 裸眼直接观察的视角 ： 使用放大镜的视角 : 视觉放大率：由垂轴放大倍率公式： 7.2放大镜（The Magnifying Glass） 第二十七页，共五十九页。二、两种特殊情况 当眼睛调焦在无限远：物体放在放大镜的前焦点上正常视力的眼睛一般调焦在明视距离，即 虚像位于眼前250mm处，若眼睛紧靠着放大镜：注意：焦距一般用毫米作单位，式中mm不能漏掉。 原则上，焦距越短放大倍率越高；但因受限于像差并 考虑实用，倍率较大的放大镜由组合透镜组成。此视觉放大率作为放大镜和目镜的光学常数。

14、第二十八页，共五十九页。各虚线为对应像点成像光束最上沿的光线P1P P2 1、眼瞳孔径光阑；放大镜视场光阑、渐晕光阑三、眼睛与放大镜联用观察近距离小物体 2、渐晕与光束限制第二十九页，共五十九页。3、50%渐晕的线视场 当物面放在放大镜前焦平面上时，像平面在无限远 线视场为：放大镜的倍率越大，线视场越小。第三十页，共五十九页。 7.2 显微镜（Microscope） 显微镜系统 第三十一页，共五十九页。眼睛一、原理物直接对眼的张角：目镜：放大物体经物镜所成的像 物镜：放大实物像对眼的张角：物镜的垂轴放大率：显微镜 视觉放大率：-L第三十二页，共五十九页。二、显微镜的视觉放大率1、定义：2、显微

15、镜的组合焦距： 显微镜的放大率与光学筒长成正比，且正比于物镜与目镜的焦距的倒数。与放大镜的视觉放大率公式相同，故可把显微镜看成组合的放大镜。第三十三页，共五十九页。 为得到不同的放大率，显微镜的物镜和目镜各有几个组成一套，便于随时调换，通常物镜有4个：3、10 、40 、100 ;目镜有3个：5、10、15，则显微镜的放大率可组成：15、30、45、 50、100、150等12种不同倍率。光学筒长为物镜像方焦点到目镜物方焦点间的距离。机械筒长tm指物镜支承面间的距离，即把物镜和目镜取下后所剩镜筒长度，是固定的，各国各有其标准。我国规定为160mm。光学筒长随物镜焦距不同而改变。其选择应使显微镜

16、满足齐焦条件：即调换物镜时不需要重新调焦，就能看到物体的像。显微镜的机械筒长第三十四页，共五十九页。显微镜光学机械设计中须做到：不同倍率的物镜，共轭距（物-像面距离） T相同；物体经物镜所成实像面应有固定位置；目镜的镜筒应保证的物方焦面与物镜实像面重合。这是不同厂家生产的物镜和目镜能够实现互换的前提。第三十五页，共五十九页。表1：上海光仪厂XPG偏光显微镜的基本参数物镜目镜倍率焦距数值孔径NA=nsinu倍率焦距（1）339.5mm0.10（1）5 50mm（2）819.96mm0.25（2）10 25mm（3）454.12mm0.63（4）100（油浸）1.91mm1.32 NA：第三十六页

17、，共五十九页。显微系统的光束限制显微系统的光阑设置：孔径光阑：一般情况下，设置为物镜框；视场光阑：分划板框。提问：入瞳、出瞳、入窗、出窗各在哪里？孔阑场阑出瞳物镜目镜第三十七页，共五十九页。 三、显微镜的线视场 视场光阑位于目镜的物方焦平面，设直径为D。视场光阑的大小应与目镜的视场角一致显微镜的线视场：显微镜的线视场为：第三十八页，共五十九页。显微镜在选定目镜后，显微镜的视觉放大率越大，其在物空间的线视场越小。物镜因分辨率的要求，有很大的数值孔径，因此成像光束很宽，其视场受轴外像差的限制，不能很大，通常，物镜线视场不超过其焦距的1/20时，成像质量是满足的。可见，显微镜的视场很小。第三十九页，

18、共五十九页。四、显微镜的出瞳直径 像方孔径角：出瞳直径D：1、孔径光阑的位置：1）普通显微镜：孔径光阑是物镜框；2）测量显微镜：孔径光阑在物镜像方焦平面上（远心光路）。2、物镜的数值孔径 正弦条件（消球差、近轴物以大孔径光束成像的充要条件）孔阑场阑出瞳物镜目镜第四十页，共五十九页。表2：显微镜的视觉放大率、出瞳直径，和物镜数值孔径 的参数对比。1.250.650.250.420.542.50刻在显微镜物镜镜框的参数：160mm/0.17；40/0.65第四十一页，共五十九页。五、显微镜的分辨率艾里斑角半径： 无像差光学系统，物点经该系统在像面上得到的不是一个点，而是一个衍射像斑，其光强分布即为

19、孔径光阑的夫琅和费衍射图样。1、成像系统的分辨本领 艾里斑半径： 瑞利判据:LS2S2S1S1S1S1第四十二页，共五十九页。2、显微镜的分辨率 极限线距离nS1S2S1S2显微物镜Dn一次实像面（1）刚能被分辨像点间距： 显微镜物镜成像（小视场近轴物）：（2）刚能被分辨的物点间距： 提高分辨率的方法：例：电子束显微镜、浸液物镜第四十三页，共五十九页。由瑞利判据得分辨率：3、道威判据：两衍射斑的中心间距为0.85a时， 刚好能被光学系统分辨。物点间距像点间距光学系统的理想分辨率显微镜的分辨率主要取决于物镜的数值孔径，与目镜无关！第四十四页，共五十九页。 明视距离观测：显微镜像空间的线距离设眼睛

20、容易分辨的角距离：4、显微镜的分辨率与放大率近似: 取=555nm：显微镜的有效放大率范围小结：能够被物镜分辨的细节，要同时被眼睛分辨，要求显微镜有 恰当的放大率；而显微镜的有效放大率范围，又取决于物镜 的分辨率或数值孔径。 道威判断：显微镜物空间的线距离第四十五页，共五十九页。附：显微镜的分辨率参数示意图第四十六页，共五十九页。第四十七页，共五十九页。1、结构2、视觉放大率3、线视场4、出瞳直径 物镜的数值孔径：5、 物镜 分辨率6、显微镜的分辨率与有效放大率七、小结波长 555nm1) 瑞利判据2) 道威判据：第四十八页，共五十九页。望远系统 无焦系统 重合，光学间隔=0第四十九页，共五十九页。1）垂轴放大率2）角放大率 望远系统放大率与位置无关！ 物理解释：平行光束的方向变化第五十页，共五十九页。应用： 扩束器原理构造1：构造2：望远系统倒置第五十一页，共五十九页。 重合， ，光学间隔=0 垂轴放大率： 角放大率：一、折射望远镜 无焦系统： 7.4 望远镜(Telescope)第五十二页，共五十九页。望远镜光路图(光阑与物镜重合)出瞳孔阑物镜场阑目镜fo-felzDDw-wFo (Fe)第五十三页，共五十九页。望远镜是目视仪器，其视觉放大率是人眼通过望远镜观察