工程光学第七章典型光学系统

1、第七章 典型光学系统7-1 眼睛及其光学系统7-2 放大镜7-3 显微镜系统7-4 望远镜系统7-5 目镜7-6 摄影系统7-7 投影系统1主要介绍绍以下成成像光学学系统的的成像特特征和设设计方法法成虚象象的目视视光学系系统（放放大镜、显微镜镜、望远远镜）成实像像的眼睛睛、摄影影和投影影系统。7-1眼睛及其其光学系系统眼睛既是是一个完完整的成成像光学学系统，又是一一个目视视光学系系统的接接受器，可以看看成整个个光学系系统的一一个组成成部分，因此它它的构造造和成像像特性在在设计和和研究目目视光学学系统时时要考虑虑。一、眼睛睛结构2角膜和和巩膜眼球被一一层坚韧韧的膜所所包围，前面凸凸出的透透明部分

2、分称为角角膜，其其余为巩巩膜，光光线首先先经过角角膜。前室角膜后充充满透明明液体的的空间。虹膜和和瞳孔前室的后后壁为虹虹膜，中中间的圆圆孔为瞳瞳孔，其其直径能能随外界界景物亮亮暗程度度的变化化而本能能的改变变大小，以调节节进入眼眼睛的光光能量，是孔径径光阑。水晶体体在虹膜之之后，它它是由多多层折射射率不同同的薄膜膜构成的的，可看看成一个个双凸透透镜，水水晶体周周围睫状状肌的紧紧张和松松弛能使使其表面面的曲率率半径发发生改变变，从而而使不同同距离的的物体都都能清晰晰成像在在网膜上上。后室水晶体后后面的空空间，充充满着胶胶状透明明液体。3网膜后室内壁壁一层由由神经末末稍组成成的视网网膜，是是感光部

3、部分。物物体成像像在其上上是倒像像，但由由于神经经的内部部作用，感觉仍仍然是正正像。黄斑网膜上视视觉最灵灵敏的区区域。盲点视神经的的出口，没有感感光细胞胞，不产产生视觉觉。因此，眼眼睛如同同一个自自动调焦焦和自动动改变光光圈大小小的照相相机，从从光学角角度看，眼睛中中的水晶体、瞳孔、网膜分别对应应于照相相机中的的镜头、光光阑和底底片。二、眼睛睛的调节节及校正正（一）调调节指眼睛通通过睫状状肌的作作用，本本能地改改变水晶晶体光焦焦度的大大小，以以看清不不同距离离物体的的过程。4远点：肌肉完全全放松时时，眼睛睛能看清清的最远远点。近点：肌肉处于于最紧张张状态时时，能看看清的最最近点。近点和远远点到

4、眼眼睛物方方主点的的距离，称为远点距离离和近点点距离。则眼的的调节能能力为：远点距离离近点距离离R为远点视度度，P为近点视度度，单位为为屈光度度（D）=1/m。医学上，1D=100度。随着年龄龄增大，肌肉调调节能力力下降，调节范范围减小小。（二）眼眼的缺陷陷及校正正眼睛的远远点在无无限远或或眼光学学系统的的后焦点点在视网网膜上，称为正常眼。正常眼观观察近物物时，物物体距眼眼最适宜宜的距离离是250mm，称为明视距离离M。5近视眼近视眼的的网膜离离水晶体体太远或或水晶体体表面曲曲率太大大，无限限远物点点成像在在网膜之之前，远远点在眼眼前有限限远。需配一负负光角度度凹面透透镜，透透镜的像像方焦点点

5、与眼睛睛的远点点重合，这样，无限远远物点就就能成像像在网膜膜上。6远视眼其网膜离离水晶体体太近或或水晶体体表面曲曲率不够够大，导导致明视视距离处处物点成成像在网网膜的后后面，其其远点在在眼睛之之后，近近点在眼眼前较远远处或眼眼睛之后后。配一正光光焦度凸凸面透镜镜，使明明视距离离处物点点能成像像在网膜膜上，其其焦距恰恰好等于于远点距距。7散光眼眼的水晶晶体或角角膜表面面的不对对称，眼眼的光焦焦度在不不同方向向上不同同，造成成一物点点发出的的光束经经眼睛不不能相交交于一点点。散光光眼在观观看辐射射状直线线圆形时时只能看看清某个个方向的的线条，与此垂垂直的线线条则觉觉得模糊糊。在两两个相互互垂直的的

6、方向上上（散光光轴），光焦度度分别有有最大、最小值值，两者者差称为为散光度。散光眼需需用柱面面透镜校校正。如如为近视视散光或或远视散散光用球球柱面透透镜校正正。8三、眼睛睛对光强强度变化化的适应应眼对不同同亮暗环环境的适适应能力力称为眼眼的适应。主要原因因：当亮照照明时，起作用用的视细细胞是灵灵敏度高高的锥状状细胞；暗照照明时，起作用用的视细细胞是灵灵敏度低低的柱状状细胞。次要原因因：瞳孔的的自动增增大和缩缩小。适应分为为：明适应：由暗处处到亮处处，适应应时间大大约几分分钟；暗适应：由亮处处到暗处处，适应应时间大大约3060分钟。四、眼睛睛的分辨辨率和瞄瞄准精度度眼能分辨辨两个很很靠近点点的能

7、力力，为眼眼的分辨率；能分辨辨的两个个最近两两点对眼眼的张角角，为其其最小分辨辨率（），在明明视场中中=1 。9在光学测测量中，用某种种标志对对目标在在垂直于于光轴的的方向上上进行重重合或置置中，这这一过程程为瞄准。瞄准后后，偏离离完全重重合或置置中的程程度称为为瞄准精度度（误差差）。常用的瞄准方式式有：两实实线瞄准准、两实实线端部部瞄准、双线平平分瞄准准、虚线线实轮廓廓线瞄准准。10分辨率和瞄准精度度是两个不不同概念念。分辨辨率适用用于观察察用显微微镜，瞄瞄准精度度适用于于测量显显微镜，且=K。K与不同的的瞄准方方式对应应。高的瞄准准精度不不仅取决决于高的的分辨率率，也取取决于合合适的瞄瞄准

8、方式式。117-2放大镜一、视觉觉放大率率目视光学学仪器的的基本工工作原理理是通过过光学仪仪器，其其像对人人眼的张张角大于于人眼直直接观察察物体时时对人眼眼的张角角。因此此放大率率不能用用前面介介绍的横横向放大大率或角角放大率率来表示示。因观观察物体体时经仪仪器后成成像在人人的视网网膜上。所以目视视光学系系统的放放大率用用视觉放大大率表示：即即用仪器器观察物物体时视视网膜上上的像高高与用人人眼直接接观察物物体时视视网膜上上的像高高之比；或通过过目视光光学系统统观察物物体时，其像对对眼睛张张角的正正切与直直接看物物体对眼眼张角的的正切之之比。即即：12对放大镜镜，人眼眼直接观观察时，一般把把物体

9、直直接放在在明视距距离上，D=250mm,则：当人眼通通过放大大镜观察察物体时时，虚象象对人眼眼的张角角为：13可见放大大镜的视视觉放大大率不是是常数，取决于于观察条条件（P和l)：当眼调调焦在无无限远时时，l=时，物体体放在放放大镜的的焦点上上。此时算出出的视觉觉放大率率作为放放大镜和和目镜的的光学常常数，标标注在镜镜筒上。正常视视力的眼眼睛一般般把物调调焦在明明视距离离D上，则P-l=D,则：适用于长长焦距（小放大大率）的的放大镜镜当眼紧靠靠放大镜镜时，P=0，则：14常用放大大镜的被被率在2.525倍之间，若用单单透镜（平凸或或双凸），通常常不超过过3倍。若放大镜镜的物是是前面光光学系统

10、统所成的的像，则则这样的的放大镜镜称为目目镜。二、光束束限制放大镜与与眼组合合构成目目视光学学系统，眼瞳是是孔阑，又是出出瞳。放放大镜框框是视场场光阑，又是出出、入窗窗，同时时放大镜镜本身又又是渐晕晕光阑。像方视场场角为：渐晕系数数K=100渐晕系数数K=50渐晕系数数K=015当用于近近距离观观察小物物体时，常用物方线视视场2y来表示放放大镜的的视场。当物面面放在放放大镜焦焦平面上上时，像像平面在在无限远远，线视视场为：当渐晕为为50%时，线视视场为：167-3显微镜系系统放大镜较较低的放放大率不不能满足足人们对对近距离离物体的的极微小小细节进进行观察察，须用用显微镜镜这种更更高放大大率的组

11、组合光学学系统。显微镜的的目镜和和物镜都都是会聚聚透镜（组），两者的的间隔比比它们各各自的焦焦距大得得多。成像原理理：物AB位于物方方焦点外外测附近近，经物物镜成一一放大、倒立的的实象AB于目镜物物方焦面面上或物物方焦面面内侧附附近，再再经目镜镜成放大大虚象AB于眼视距距离甚至至无限远远处。17一、显微微镜的视视觉放大大率因显微镜镜实质是是一组合合光组，其视觉觉放大率率为：表明：显显微镜的的视觉放放大率是是物镜垂垂轴放大大率与目目镜视觉觉放大率率的乘积积。物镜镜倍率有有4、10、40、100；目镜有有5、10、15。物镜的垂垂轴放大大率目镜的视视觉放大大率18通用显微微镜物镜镜从物平平面到像像

12、平面的的距离（共轭距距），不不论放大大率如何何都是相相等的，约为180mm；对生物物显微镜镜，我国国规定为为195mm。把物镜和和目镜取取下后，所剩的的镜筒长长度称为为机械筒筒长，也也是固定定的，有有160mm、170mm、190mm。我国以以160mm作为物镜镜目镜定定位面的的标准距距离。二、显微微镜的线线视场物体经物物镜后成成像在视视场光阑阑（直径径为D）上，则则其线视视场为：视场光阑阑的大小小应与目目镜的视视场角一一致：表明：在在选定目目镜后，显微镜镜的视觉觉放大率率越大，其在物物空间的的线视场场越小。19三、显微微镜的出出瞳直径径普通显微微镜，物物镜框是是孔径光光阑。复杂物镜镜，其最最

13、后镜组组的镜框框为孔径径光阑。测量用显显微镜，物镜像像方焦平平面上设设置专门门的孔径径光阑，经目镜镜所成的的像为出出瞳（直直径为D）。则有：NA=nsinu称为显微微物镜的的数值孔孔径，与与物镜的的垂轴放放大率一一起，刻刻在物镜镜的镜框框上，是是一重要要光学参参数。20四、显微微镜的分分辨率和和有效放放大率分辨率受受孔径光光阑的影影响，点点源形成成的像为为一个衍衍射斑，称为艾艾里斑，集中83.78%的能量，代表中中心位置置。根据瑞利利判断，两个相相邻像点点之间的的间隔等等于艾里里斑的半半径时，则能被被光学系系统分辨辨。设艾艾里斑半半径为a。则：显微镜的的分辨率率以能分分辨的物物方两点点间最短短

14、距离来表示，即：若按道威威判断两两相邻衍衍射斑中中心距为为0.85a时，能被被分辨开开，即：目镜的理理想分辨辨率21距离为的两个点点不仅被被物镜分分辨，且且通过显显微镜放放大，能能被眼区区分开，设眼的的分辨角角距离为为24。则在明视视距离上上对应的的线距离离为：把换算到物物空间，按道威威判断取取值，则：设=555nm，得：显微镜的的有效放放大率一般最大大的NA为1.5,则有效放放大率最最大不超超过1500倍。显微镜上上标明170mm/0.17;40/0.65。表示放放大率为为40，数值孔孔径为0.65,机械筒长长170mm，物镜对对玻璃厚厚度d=0.17mm的玻璃盖盖板校正正像差的的。22五、

15、显微微镜的景景深当眼通过过显微镜镜调焦于于某一平平面（对对准平面面）时，在对准准平面前前和后一一定范围围内的物物体也能能清晰成成像，此此距离即即为显微微镜的景深。一种为不不考虑眼眼睛调节节能力时时显微镜镜本身的的景深，为几何景深深；另一种种为考虑虑眼睛调调节能力力带来的的景深，为调节景深深。六、显微微镜的照照明方式式透射光光亮视场场照明。光通过过透明物物体产生生亮视场场。反射光光亮视场场照明。对不透透明的物物体，从从上面照照射产生生漫射或或规则的的反射形形成亮视视场。透射光光暗视场场照明。倾斜入入射的照照明光束束在物体体旁侧向向通过，光束通通过物体体结构的的衍射、折射和和反射，射向物物镜，形形

16、成物体体的像，则获得得暗视场场。反射光光暗视场场照明。在旁侧侧入射到到物体上上的照明明光束经经反射后后在物镜镜侧向通通过，若若无缺陷陷的放射射镜作为为物体，得到一一均匀暗暗视场。23生物显微微镜多为为透明标标本，常常用透射射光亮视视场照明明，分为为临界照照明和柯柯勒照明明。临界照明明：把光源源的像成成在物平平面上，故光源源表面亮亮度的不不均匀性性会影响响显微镜镜的观察察效果。聚光镜的的出瞳和和像方视视场分别别与物体体的入瞳瞳和物方方视场重重合。24柯勒照明明消除了了临界照照明中物物平面光光照度不不均匀的的缺点，它由两两组透镜镜组成，前组透透镜为柯柯勒镜，后组透透镜为成成像物镜镜。柯勒镜的的孔阑

17、物镜的视视阑柯勒镜的的视阑物镜的孔孔阑柯勒照明明是“窗窗对瞳，瞳对窗窗”的光光管，调调节光阑阑2有利于有有害的散散射光。调节1减少有害害的杂散散光，提提高对比比度。257-4望远镜系系统望远镜系系统是一一种能把把远距离离物体的的张角放放大，便便于进行行观察和和瞄准的的目视光光学仪器器。一、工作作原理使入射的的平行光光束仍保保持平行行射出的的光学系系统。其其物镜的的像方焦焦点和目目镜的物物方焦点点重合。即光学学间隔=0，是无焦焦系统。望远镜的的物镜f00,目镜有两两种：fe0为开普勒勒望远镜镜。开普勒望望远镜26其视觉放放大率为为：手持望远远镜的放放大率不不超过10倍，大地测测量望远远镜大约约为

18、30倍，天天文望远远镜更高高。开普勒望望远镜成成倒像，需加入入转像系系统成正正像。转转像系统统分为棱镜转像像系统和透镜转像像系统。棱镜转像像系统用于筒长较短短且结构紧凑凑望远镜中中。不改改变其放放大率。军用望远远镜棱镜镜转像系系统27透镜转像像系统用于长镜筒的的望远镜中中。增加加系统的的长度，改变系统的视觉放大大率，有单组组和双组组两种形形式。双双组系统统的两转转像透镜镜之间的的光束是是平行的的，改变变两透镜镜之间的的距离不不会影响响系统的的光学特特性。双组透镜镜转像系系统当整个系系统较细细长，轴轴外光线线的很大大部分将将不能通通过转像像系统和和目镜，可在中中间实像像面上或或其附近近加一适适当

19、光焦焦度的正正透镜，把轴外外光线压压低以通通过整个个系统，这样不不必增加加后面光光学元件件的口径径。这种种透镜称称为场镜，对系统统的光焦焦度和放放大率和和像的位位置几乎乎不产生生影响。28场镜的作作用fe0为伽伽利略望望远镜，但因其其没有中中间实像像，不能能设置用用来瞄准准和定位位的分划划板，且且放大率率小，应应用较少少。伽利略望望远镜29二、望远远系统的的分辨率率及工作作放大率率望远镜的的分辨率率用极限分辨辨角表示，按瑞利判判断：按道威判判断有：因望远镜镜是目视视光学仪仪器，受受人眼分分辨率限限制，即即两个物物点通过过仪器后后对人眼眼的视角角必须大大于人眼眼的视觉觉分辨率率1。即为满足足分辨

20、率率要求的的最小视视觉放大大率，称称为有效放大大率（正常）。为看看起来舒舒服常取取的23倍倍，称为为工作放大大率。30三、望远远镜的视视场开普勒望望远镜的的物镜框框是孔径径光阑，也是入入瞳；出出瞳在目目镜外面面，与人人眼重合合。目镜镜框是渐渐晕光阑阑，一般般允许有有50%的渐晕晕。物镜镜的后焦焦面上放放置分划划板，为为视场光光阑。因此，望望远镜的的物方视视场角满足：分划板半半径其2一一般不超超过15，人眼观观察时，必须满满足光瞳瞳相衔接接，才能能看到望望远镜的的全视场场。317-5目镜目镜的作作用与放放大镜类类似，把把物镜成成的像放放大在人人眼的远远点或明明视距离离。其光光学参数数有：焦距、视

21、视场角、相对镜镜目距、工作距距。一、视场场目镜的视视场取决决于望远远镜的视视觉放大大率和物物方视场场角2w，即：一般可达达4050，广角目目镜可达达6080，双目仪仪器不超超过75。二、镜目目距指目镜后后表面的的顶点到到出瞳的的距离（P）。相对镜目目距是其与目目镜焦距距之比。32由牛顿公公式得：因此，相相对镜目目距：可见当较大时时，镜目目距近似似等于目目镜的后后截距。即：三、工作作距指目镜第第一面的的顶点到到其物方方焦平面面的距离离。目镜镜的视场场光阑与与物镜的的视场光光阑重合合，位于于目镜的的前焦平平面上。为适应应近视眼眼与远视视眼的需需要，视视度是可可以调节节的，因因此工作作距要大大于视度

22、度调节的的深度，视度调调节的范范围一般般在5D。33四、常用用目镜的的型式冉斯登目目镜其视场角角达3040，相对镜目距达0.3，适用于于测量显显微镜和和测量望望远镜。开涅尔目目镜其视场角角达4050，相对镜目距达0.5，结构简简单，像像质较好好。34对称式目目镜其视场角角达4042，相对镜目距达0.75，适用于于军用观观察和瞄瞄准仪器器。无畸变目目镜其视场角角达40，相对镜目距达0.7，适用于于测量仪仪器。35艾尔弗目目镜其视场角角达70，相对镜目距达0.7，是最常常用的一一种广角角目镜。惠更斯目目镜其视场角角达4050，相对镜目距达0.33，焦距不不小于15mm。36长出瞳目目镜其视场角角达

23、50，用于军军用仪器器。目镜的种种类较多多，设计计时在满满足光学学特性要要求时，兼顾成成像质量量和结构构的简单单化。377-6摄影系统统摄影系统统是把平平面或空空间物体体成像于于感光元元件接收收面上的的光学系系统，由由摄影物镜镜和感光元件件组成。包括：照照相机、电影摄摄像机、显微摄摄影系统统、照相相制版仪仪等。一、摄影影物镜的的光学特特性特性参数数：焦距距、相对对孔径、视场角角。决定成像像大小决定像面面照度决定成像像范围（一）视视场视场的大大小由物物镜的焦焦距和接接收器的的尺寸决决定。拍远处物物体时，像的大大小为：排近处物物体时，像的大大小为：38感光元件件框是视视场光阑阑和出窗窗，决定定成像

24、范范围。当接收器器尺寸一一定时，物镜的的的焦距越短，视视场角越越大。越长，视视场角越越小。广角物镜镜远摄物镜镜普通照相相机标准准镜头的的焦距为为50mm。拍远处物物体时，物方最最大视场场角为：底片的对对角线长长度（二）分分辨率摄影系统统的分辨辨率由物物镜的分分辨率和和接收器器的分辨辨率决定定，是以以像面上上每毫米米内能分分辨开的的线对数数表示。39设物镜的的分辨率率为NL,接收器器的分辨辨率为Nr，则系统统分辨率率N为：按瑞利判判断，物物镜的分分辨率为为：物镜的光光圈数摄影物镜镜存在较较大像差差，物镜镜的实际际分辨率率小于理理论分辨辨率；此此外其分分辨率还还与被摄摄目标的的对比度度有关，因此评评价其成成像质量量要用光光学传递递函数。（三）像像面照度度主要取决决于相对对口径，由前面面知识：光瞳垂轴轴放大率率物体亮度度40对大视场场物镜，其视场场边缘的的照度要要比视场场中心小小很多。表明：感感光底片片上的照